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世界上第一臺原子力顯微鏡是誰發明的?

原子力顯微鏡(atomic force microscope,簡稱AFM),也稱掃描力顯微鏡(scanning force microscopy,SFM))是一種納米級高分辨的掃描探針顯微鏡,是由IBM蘇黎士研究實驗室的比寧(Gerd Binning)、魁特(Calvin Quate)和格勃(Christoph Gerber)于1986年發明的。AFM測量的是探針頂端原子與樣品原子間的相互作用力——即當兩個原子離得很近使電子云發生重疊時產生的泡利(Pauli)排斥力。工作時計算機控制探針在樣品表面進行掃描,根據探針與樣品表面物質的原子間的作用力強弱成像。

世界上第一臺原子力顯微鏡及其發明人
世界上第一臺原子力顯微鏡和發明人之一比寧
 
隧道效應
 
經典物理學認為,物體越過勢壘,有一閾值能量;粒子能量小于此能量則不能越過,大于此能量則可以越過。例如騎自行車過小破,先用力騎,如果破很低,不蹬自行車也能靠慣性過去。如果破很高,不蹬自行車,車道一半也就停住,然后退回去。
 
量子力學則認為,即使粒子能量小于閾值能量,很多粒子沖向勢壘,一部分粒子反彈,還會有一些粒子能過去,好像有一個隧道,故名隧道效應(quantum tunneling),可見,宏觀上的確定性在微觀上往往就是具有不確定性。雖然在通常的情況下,隧道效應并不影響經典的宏觀效應,因為隧穿幾率極小,但在某些特定的條件下宏觀的隧道效應也會出現。
 
掃描隧道顯微鏡 (STM, Scanning Tunneling Microscope)就是運用了"隧道效應"這一原理,如下圖
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探針與樣品之間的縫隙就相當于一個勢壘,電子的隧道效應使其可以穿過這個縫隙,形成電流,并且電流會探針與樣品之間的距離十分敏感,因此通過電流強度就可以知道到探針與樣品之間的距離.
 
STM的原理是通過電子的"隧道效應",所以只能測導體和部分半導體,而1985年,IBM公司的Binning和斯坦福大學的Quate研發出了原子力顯微鏡(AFM),彌補了STM的不足,這即是原子力顯微鏡的誕生背景。
 

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