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掃描探針顯微鏡(SPM)與納米科技


? ? ? ?人類僅僅用眼睛和雙手認識和改造世界是有限的,例如:人眼能夠直接分辨的最小間隔大約為0.07mm;人的雙手雖然靈巧,但不能對微小物體進行精確的控制和操縱。但是人類的思想及其創(chuàng)造性是無限的。當(dāng)歷史發(fā)展到二十世紀(jì)八十年代,一種以物理學(xué)為基礎(chǔ)、集多種現(xiàn)代技術(shù)為一體的新型表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡(STM)誕生了。STM不僅具有很高的空間分辨率(橫向可達0.1nm,縱向優(yōu)于0.01nm),能直接觀察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu);而且還能對原子和分子進行操縱,從而將人類的主觀意愿施加于自然??梢哉fSTM是人類眼睛和雙手的延伸,是人類智慧的結(jié)晶。

? ? ? ?基于STM的基本原理,隨后又發(fā)展起來一系列掃描探針顯微鏡(SPM)。如:掃描力顯微鏡(SFM)、彈道電子發(fā)射顯微鏡(BEEM)、掃描近場光學(xué)顯微境(SNOM)等。這些新型顯微技術(shù)都是利用探針與樣品的不同相互作用來探測表面或界面在納米尺度上表現(xiàn)出的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。

? ? ? ?納米科學(xué)和技術(shù)是在納米尺度上(0.1nm~100nm之間)研究物質(zhì)(包括原子、分子)的特性和相互作用,并且利用這些特性的多學(xué)科的高科技。其最終目的是直接以物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來的特性,制造具有特定功能的產(chǎn)品,實現(xiàn)生產(chǎn)方式的飛躍。納米科學(xué)大體包括納米電子學(xué)、納米機械學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米光學(xué)、納米化學(xué)等領(lǐng)域。

? ? ? ?雖然納米科技的歷史可以追溯到三十多年前著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者理查德·費曼在美國物理年會上的一次富有遠見的報告,但是“納米科技”一詞還是近幾年才出現(xiàn)的,也正是SPM技術(shù)及其應(yīng)用迅速發(fā)展的時期。第5屆國際STM會議與第1屆國際納米科技會議于1990年在美國同時召開不能不說明SPM與納米科技之間存在著必然聯(lián)系、SPM的相繼問世為納米科技的誕生與發(fā)展起了根本性的推動作用,而納米科技的發(fā)展也將為SPM的應(yīng)用提供廣闊的天地……

? ? ? ?人們饒有興趣的談?wù)摵退伎贾?1世紀(jì)的科學(xué)與技術(shù),有人說是分子電子學(xué)時代,也有人說是信息時代。實際上納米科學(xué)與技術(shù)將是構(gòu)成未來新時代的基礎(chǔ)。

? ? ? ?世界上一些發(fā)達國家已投巨資,并組織在該領(lǐng)域有影響的科學(xué)家進行納米科技研究。美、英、日、德等國家對納米科技予以高度重視。美國真空學(xué)會成立了納米科學(xué)與技術(shù)部。美國國家基金委員會把納米科技列為優(yōu)先支持的項目,另外美國與納米科技有關(guān)的資助項目一半以上來自軍方。英國政府在財力困難的情況下也制定了納米技術(shù)計劃,在機械、光學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域遴選了八個項目進行研究。日本制定的關(guān)于先進技術(shù)開發(fā)研究規(guī)劃中有十二個項目與納米科技有關(guān)。其投資多達幾十億日元。德國漢堡大學(xué)應(yīng)用物理系結(jié)構(gòu)研究中心已投資一千萬馬克,準(zhǔn)備建造一臺世界一流的超高真空低溫STM,期望在研究磁單極的存在性這一重要科學(xué)問題上有重要突破。

? ? ? ?納米科技的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用直接根植于基礎(chǔ)研究,這與傳統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展規(guī)律不同,從基礎(chǔ)到應(yīng)用的轉(zhuǎn)化是直接的,其轉(zhuǎn)化周期將會更短。事實上,納米科技的發(fā)展速度比原先人們估計的要快,有的已經(jīng)實用化。納米科技在計算機、信息處理、通訊、制造、生物、醫(yī)療和空間領(lǐng)域,尤其在國防工業(yè)上有巨大的發(fā)展前景。

? ? ? ?正如前面在關(guān)于納米科技的概念所述,納米科技是在納米尺度上對物質(zhì)特性進行研究的基礎(chǔ)上,最終利用這種特性來制造具有特定功能的產(chǎn)品,實現(xiàn)生產(chǎn)方式的飛躍。因而就基礎(chǔ)研究而言,納米科學(xué)有著誘人的前景。因為在納米尺度上物質(zhì)將表現(xiàn)出新穎的現(xiàn)象、奇特的效應(yīng)和性質(zhì)。而作為一門技術(shù),納米技術(shù)將為人類提供新穎并具有特定功能的產(chǎn)品和裝置。

? ? ? ?因此,納米科學(xué)技術(shù)充滿著機會與挑戰(zhàn)。而STM及其相關(guān)儀器SPM在這機會與挑戰(zhàn)中必將獲得更加廣泛的應(yīng)用?……

? ? ? ?納米科技是未來高科技的基礎(chǔ),而科學(xué)儀器是科學(xué)研究中必不可少的實驗手段。STM及其相關(guān)儀器(SPM)必將在這場向納米科技進軍中發(fā)揮無法估量的作用。當(dāng)納米科技時代真正到來之際,“掃描探針顯微鏡在納米科技中的應(yīng)用”一文才可能最后寫上休止符。

? ? ? ?—— 摘自白春禮《納米科學(xué)與技術(shù)》(云南科技出版社,1995)