获得诺贝尔物理学奖的扫描隧道显微镜是如何工作的

问题是，宾宁和罗雷尔必须先发明显微新技术，才能够完成接下来的事情。几十年后，他们做到了。在此过程中，这两位科学家发明了一种新型显微镜，它进入了世界各地的实验室，改变了我们对各种数据的研究。

在此之前，看到一个原子还是非常困难的，这需要一些特殊的显微镜经过特殊的处理才能勉强看到一个原子。这种情况对于宾宁和罗雷尔来说显然是不够的，他们想看到的是整个表面上的所有单个原子。

简介

两位研究人员使用一种称为电化学蚀刻的技术，来制造超锋利的金属尖端。要以这种方式制造针头，必须从一根普通的线开始。他们选择了用钨来制作这根普通的线，然后把这根线连接到另一块金属板上，再把整体浸入氢氧化物溶液中，只留下部分钨丝伸出液面。由于该尖端暴露在外，因此液体在其周围形成所谓的弯月面，这意味着液体会略微向上吸。

接下来，如果在两种金属之间施加电压，电荷将开始在它们之间移动，这将在弯月面处引发化学反应。浸没的钨会与溶液中的氢氧化物发生反应，产生一种叫做钨酸盐的东西。这种钨酸盐会溶解，使金属丝在弯月面变得越来越细。最终，金属钨丝变得如此之细，最后发生断裂，留下了一个非常锋利的尖端。理想状态下，这个尖端只有一个原子那么大。但是这个过程并不完美，所以通常还需要稍微磨尖一点。他们通过将尖端暴露在非常高的电场中来锐化尖端。

但是制作尖端只是成功的一半，接下来是将尖端降低到他们想要研究的表面。由于他们想要处理如此精细的细节，他们需要完全控制任何制动，否则尖端或样品可能会以不可预测的方式移动。这并不是一件容易的事情，因为各种各样的事物都会产生振动。在原子水平上，即使是脚步声也可能像地震一样。因此，两位研究人员决定使用磁铁悬浮整个设备。

隧道电流

两位研究人员通过给针和样品分别赋予不同的电位来鼓励电子跳跃。电子会在两者之间跳跃，并产生所谓的隧道电流。隧道电流的强度很大程度上取决于针与给定原子的接近程度。如果电流较强，那基本上意味着针头正悬停在一个原子的顶部；如果电流非常微弱，那么针头正远离单个原子。

这种关键的理解是整个技术的突破，仅仅三年之后（1981年），宾宁和罗雷尔用一根针扫描了硅样品的表面，利用他们对隧道电流的了解，使用计算机软件创造了表面的图像。那一年，他们用新技术制造了第一张原子图像。他们创造的显微镜后来被称为扫描隧道显微镜（STM），并在1986年获得了诺贝尔物理学奖。