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人类如何观察到纳米级别的世界

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  波的特点对于波长小得多的障碍物不敏感,对于人眼来说,所能够接受的光波波长大约是390nm~760nm,这个波段范围正好和光学窗口所透过的波段相吻合,这是人眼对大自然(或说对太阳)适应的必然结果。在这个范围我们可以看见细菌、细胞这样微小的生命结构。但如果比这个范围更小的波长,我们就无法用光学显微镜观察到了,比如电子。

  

  为了观察到更小的水平,人类发明了电子显微镜。量子力学的理论告诉我们,电子也是波,它的波长比可见光,甚至可以比原子的尺寸更小。扫描隧道显微镜(STM)是一种电子显微镜,它利用量子隧道效应,检测物体表面,从而达到观察更小微观世界的效果。

  

  那么扫描隧道显微镜是如何做到观察微观世界的呢?这需要我们从隧道效应说起。我们在高中的时候学过势能这个概念,在相互作用力是“耗散力”(如摩擦力)时,设物体由A点(假设它是势能零点)移到B点克服它做功为W,当物体由B点回到A点时,它并不能对物体做功(如克服摩擦力做功时,物体的动能转化为内能,而无法利用这部分内能对物体做功),故不能说由于耗散力存在使物体具有了势能。

  与此相反,如果上述过程是在保守力作用下进行的,那么物体从B回到A时,保守力对物体做的功正好等于W,这是因为保守力所做的功才只与物体的初始和最终的相对位置有关。如果物体不受其它力的作用那么这个功W就使物体得到同样多的动能。故我们说物体在B点有势能W(如上图)。

  

  势能像一个山坡,我们通常把它叫做势垒。一个球从地面光滑的坡下滚到坡上,如果它没有足够的初速度,也就没有足够的能量,是不能翻越这个山坡的。然而如果一个固定能量的粒子射过来,即使能很低,它仍然有一定的概率穿过这个势垒。这种势垒穿透效应,就像在山中挖了一条隧道,因此被称为隧道效应。量子隧穿效应描述的是像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为,尽管位势垒的高度大于粒子的总能量。在经典力学里,这是不可能发生的。了解了量子隧道效应后,我们接着来讲扫描隧道显微镜的原理。

  

  把一根非常尖的探针贴近被探测物体的表面。当探针最顶尖的一个原子距离物体表面约0.3-0.4nm(差不多一个原子的直径)时,隧道效应就发生。这时如果在探针和被探测物体之间施加一个电压,电子就会很容易地穿越过来。物体内部的电子是被所有原子共有的,并不是吸引过来一个电子,对面的电子就少一个。一个电子被吸引后,其他的电子会源源不断地补充过来,吸引过来的电子也会流走。一定的势垒穿透的概率将会导致一个稳定的电流。

  穿透的概率对势垒的厚度非常敏感,所以这个电流对探针与物体表面的距离非常敏感。距离的微小变化,都会导致电流的极大变化。(如上图)根据这一个原理,扫描隧道显微镜可以探测到0.01nm的细微变化,这是非常大的进步,这是原子直径的几十分之一。扫描隧道显微镜让人类看见了物质结构在原子尺寸水平的更多细节。

  

  格尔德·宾宁及海因里希·罗雷尔于1981年发明了扫描隧道显微镜,也因此与电子显微镜的发明者恩斯特·鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。

  现代半导体的加工工艺高度精密,需要用能够看清楚每一个原子的仪器检查晶圆上的纳米级半导体器件。

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