主题：推荐：显微技术的发展

3.扫描电子显微镜(SEM)
当聚焦得很细的电子束在试样表面扫描时,用
探测器收集相关信息,逐点逐行地在显像管上显示
出来,用这种原理制成的电子显微镜称为扫描电子
显微镜"
马#克诺尔等在1935年制成了让电子束在材料
表面扫描的仪器,把这个装置作为电子显微镜则是
偶然的"受电子束直径所限,当时的分辨率只有
100微米左右"
第一台真正的扫描电镜是冯#阿登纳在1937年
制成的"电子束直径聚焦!缩小到0.01微米!探针
电流只有1012A的量级"这台仪器原理虽然正确,
但由于调试困难!记录时间长!分辨本领低,而以失
败告终"
现代扫描电镜的设计制造应归功于英国剑桥大
学工程系的奥特莱及其研究小组"1958年剑桥大
学向该研究所提供了一台新的扫描电镜"1965年
英国剑桥仪器公司生产出了商品Sterecoscan"从此
开创了扫描电镜的新纪元"SEM的分辨本领虽没有TEM那么高,但试样制
备简单!焦深长!视场大,可直接观察很大很厚的实
物试样,而且还能让它作上下!前后!左右!倾斜和旋
转运动,从各个角度来仔细观察"SEM的放大倍数
还能方便地从几倍连续地增大到几十万倍,既可对
感兴趣的细节仔细研究,又可看到全貌,知道这些细
节在整个物体中的部位"现代常规SEM的分辨本
领已达3.5nm"这是一种非破坏性的分析测试装
置"
采用场发射电子枪的超高分辨SEM的分辨本
领已高达0.6nm,接近TEM的水平"现在SEM不但
在科学研究而且在工农业生产中得到了广泛的应
用,特别是电子计算机产业的兴起使其得到了飞速
发展"SEM成为半导体集成电路芯片的常规检测工
具"
4.扫描隧道显微镜(STM)
80年代初发展起来的扫描隧道显微镜是继光
学显微镜!电子显微镜后人们能够直接观察研究物
质微观结构的新型显微镜"它的横向分辨本领高达
0.1)0.2nm,而深度分辨本领为0.01nm,是各类显
微镜中最高的"而其放大倍数可达数千万倍,比一
般电子显微镜还高数百倍"它还克服了电子显微镜
中高能电子束对试样的损伤!深度分辨本领低以及
试样必须处于真空中的限制,既可以在超高真空!真
空,也可以在大气下甚至液体中无损伤地直接观察
物质表面结构"
扫描隧道显微镜利用的原理是量子世界的隧道
效应"由于隧道效应,在两块金属片之间形成隧道
电流,而且这个电流有个奇特的性质,在一定的电压
下,隧道电流随间距的增加而急剧地减小"当间距
改变一个原子的尺度时,电流就改变数十或数百倍"
利用这种关系,可用来制造新型的显微镜"
1981年,瑞士苏黎世国际商用公司实验室的科
学家罗雷尔和来自德国的研究生宾尼格研制成功了
第一台扫描隧道显微镜(STM),终于使人们实现了
看到原子真面目的愿望"这台显微镜的针尖只有几
个原子大小,针尖离样品的间距也只有1纳米,它的
水平分辨率在0.2nm以下,垂直分辨率可以达到远
小于0.1nm"
扫描隧道显微镜经历了4代的发展演变"1981
年的第一代非常复杂:真空室放在气垫防震台上,而
隧道主体单元则靠强磁体与碗状铅超导体磁场之间
的排斥作用悬浮起来,以减轻实验室环境中低频震动的影响"第二代则用磁体产生的涡流来代替超导
体悬浮,结构就简单多了"现已为大家所仿效"第
三代又变得复杂起来,体积也相当大,整个用石英制
造以防止针尖的热漂移,也很快被淘汰了"现在广
泛应用的第四代,所谓/口袋式0扫描隧道显微镜
设计得精致小巧,但非常稳固"本身的谐振频率极
高,不需特殊防震措施"放在一般工作台上针尖与
试样间的相对位置仍可保持不变而获得原子分辨本
领"
1990年美国加州IBM研究实验室的研究人员
在Ni(镍)表面将35个Xe(氙)原子排成/IBM03个字
母,后来又在Pt(铂)表面上移动CO分子排列成一个
小人图案"1995年有报道已经在2cm@2cm的硅片上
制造了16个扫描隧道显微镜阵列,可同时动作"因
此,可望研制成纳米级电子(量子)器件,纳米级新材
料,进行超高密度信息存储以及纳米级加工等"
扫描隧道显微镜大家族统称为扫描探针显微镜
1.原子力显微镜(AFM) 利用针尖和试样原
子间的相互微弱作用力来获得试样表面的形貌图
像,可用于研究绝缘体!半导体及导体"也可对
DNA分子进行切割"
2.横向力显微镜(LFM) 对研究诸如由不同
材料引起的表面摩擦力的变化十分有用,它还可用来获得边界增强的表面形貌图像"
3.磁力显微镜(MFM) 可对样品表面的磁畴
分布成像,获得含有表面形貌及磁学特性的信息"
4.扫描近场光学显微镜(NSOM) 是一种特殊
的!使用可见光的SPM(扫描探针显微镜),比传统光
学显微镜分辨率提高一个量级"
5.静电力显微镜(EFM) 用来研究表面电荷
载体密度的空间分布"
6.扫描电容显微镜(SCM) 可对表面电容的
空间分布成像"
7.弹道电子发射显微镜(BEEM) 扫描隧道显
微镜和原子力显微镜虽然具有原子级分辨率,但是
这种技术不能对界面进行直接探测,只能用于观察
界面的剖面"80年代末发展起来的弹道电子发射显
微镜是一种界面探测新技术,它能够对界面系统进行
直接!实时及无损的探测,并具有纳米级的空间分辨
率"目前这种技术已用于金属!半导体界面的研究"
电子显微镜和扫描隧道显微镜两者的原理和结
构完全不同,但都是用电子来成像的超显微镜"
1986年诺贝尔奖的物理奖授予了在半个世纪前发
明电子显微镜的鲁斯卡以及创制扫描隧道显微镜的
宾尼格和罗雷尔,以表彰他们在发展电子显微镜方
面所作出的卓越贡献"

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