扫描探针显微镜与纳米科技.PDFVIP

扫描探针显微镜与纳米科技 人类仅仅用眼睛和双手认识和改造世界是有限的，例如：人眼能够直接分辨的最小间隔大 约为O.07mm；人的双手虽然灵巧，但不能对微小物体进行精确的控制和操纵。但是人类的思想 及其创造性是无限的。当历史发展到二十世纪八十年代，一种以物理学为基础、集多种现代技 术为一体的新型表面分析仪器——扫描隧道显微镜（STM）诞生了。STM 不仅具有很高的空间分 辨率（横向可达 O.1nm，纵向优于O.01nm），能直接观察到物质表面的原子结构；而且还能对 原子和分子进行操纵，从而将人类的主观意愿施加于自然。可以说STM 是人类眼睛和双手的延 伸，是人类智慧的结晶。 基于STM的基本原理，随后又发展起来一系列扫描探针显微镜（SPM）。如：扫描力显微镜 （SFM）、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫描近场光学显微境（SNOM）等。这些新型显微技 术都是利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和 化学性质。 纳米科学和技术是在纳米尺度上(0.1nm～1OOnm之间)研究物质（包括原子、分子）的特性 和相互作用，并且利用这些特性的多学科的高科技。其最终目的是直接以物质在纳米尺度上表 现出来的特性，制造具有特定功能的产品，实现生产方式的飞跃。纳米科学大体包括纳米电子 学、纳米机械学、纳米材料学、纳米生物学、纳米光学、纳米化学等领域。 虽然纳米科技的历史可以追溯到三十多年前著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼 在美国物理年会上的一次富有远见的报告，但是“纳米科技”一词还是近几年才出现的，也正 是 SPM 技术及其应用迅速发展的时期。第5 届国际STM会议与第1 届国际纳米科技会议于1990 年在美国同时召开不能不说明 SPM 与纳米科技之间存在着必然联系、SPM的相继问世为纳米科 技的诞生与发展起了根本性的推动作用，而纳米科技的发展也将为SPM的应用提供广阔的天地。 …… 人们饶有兴趣的谈论和思考着21 世纪的科学与技术，有人说是分子电子学时代，也有人说 是信息时代。实际上纳米科学与技术将是构成未来新时代的基础。 世界上一些发达国家已投巨资，并组织在该领域有影响的科学家进行纳米科技研究。美、 英、日、德等国家对纳米科技予以高度重视。美国真空学会成立了纳米科学与技术部。美国国 家基金委员会把纳米科技列为优先支持的项目，另外美国与纳米科技有关的资助项目一半以上 来自军方。英国政府在财力困难的情况下也制定了纳米技术计划，在机械、光学、电子学等领 域遴选了八个项目进行研究。日本制定的关于先进技术开发研究规划中有十二个项目与纳米科 技有关。其投资多达几十亿日元。德国汉堡大学应用物理系结构研究中心已投资一千万马克， 准备建造一台世界一流的超高真空低温STM，期望在研究磁单极的存在性这一重要科学问题上 有重要突破。 纳米科技的产业应用直接根植于基础研究，这与传统的技术发展规律不同，从基础到应用 的转化是直接的，其转化周期将会更短。事实上，纳米科技的发展速度比原先人们估计的要快， 有的已经实用化。纳米科技在计算机、信息处理、通讯、制造、生物、医疗和空间领域，尤其 在国防工业上有巨大的发展前景。 正如前面在关于纳米科技的概念所述，纳米科技是在纳米尺度上对物质特性进行研究的基 础上，最终利用这种特性来制造具有特定功能的产品，实现生产方式的飞跃。因而就基础研究 而言，纳米科学有着诱人的前景。因为在纳米尺度上物质将表现出新颖的现象、奇特的效应和 性质。而作为一门技术，纳米技术将为人类提供新颖并具有特定功能的产品和装置。 因此，纳米科学技术充满着机会与挑战。而STM 及其相关仪器SPM 在这机会与挑战中必将 获得更加广泛的应用。 …… 纳米科技是未来高科技的基础，而科学仪器是科学研究中必不可少的实验手段。STM 及其相 关仪器（SPM）必将在这场向纳米科技进军中发挥无法估量的作用。当纳米科技时代真正到来 之际，“扫描探针显微镜在纳米科技中的应用”一文才可能最后写上休止符。 —— 摘自白春礼《纳米科学与技术》(云南科技出版社，1995) 扫描探针显微术 自从1933年德国Ruska和 Knoll等人在柏林制成第一台电子显微镜后，几十年来，有许多 用于表面结构分析的现代仪器先后问世。如透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、 场电子显微镜（FEM ）、场离子显微镜（FIM）、低能电子衍射（LEED）、