1986年诺贝尔物理学奖.doc

1986年诺贝尔物理学奖 电子显微镜与扫描隧道显微镜-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN1986年诺贝尔物理学奖——电子显微镜与扫描隧道显微镜1986年诺贝尔物理学奖一半授予德国柏林弗利兹-哈伯学院(Fritz-Haber- In stitut der Max-Pla nck-Gesellschaft )的恩斯特•鲁斯卡(Ern stRuska, 1906- 1988 )，以表彰他在电光学领域做了基础性工作，并设计了第一架电子显微 镜；另一半授予瑞士鲁希利康(Ruschlikon) IBM苏黎世研究实验室的德国物理 学家宾尼希(Gerd Binnig, 1947-)和瑞士物理学家罗雷尔(He in rich Rohrer， 1933-)，以表彰他们设计出了 扫描隧道显微镜研制电子显微镜的历史可以追溯到19世纪末人们在研究阴极射线的过程 中发现阴极射线管的管壁往往会出现阳极的阴影1897年布劳恩设计并制成了 最初的示波管这就为电子显微镜的诞生准备了技术条件1926年布什(H.Busch)发表了有关磁聚焦的论文，指出电子束通过轴对称电磁场时可以聚 焦,如同光线通过透镜时可以聚焦一样,因此可以利用电子成像。

这为电子显 微镜作了理论上的准备限制光学显微镜分辨率的主要因素是光的波长由于 电子束波长比光波波长短得多，可以预期运用电子束成像的电子显微镜可以得 到比光学显微镜高得多的分辨率恩斯特•鲁斯卡1906年12月25日生于德国巴登市海德堡他的父亲是柏 林大学历史学教授.1925 年-1927 年，恩斯特上中学时就喜欢工程.井在慕尼黑两 家公司学习电机工程后随父到了柏林， 1928年夏进入柏林恰洛廷堡的柏林技 术大学学习，在大学期间参加过高压实验室工作，从事阴极射线示波管的研 究从1929年开始，鲁斯卡在组长克诺尔(M.Knoll)的指导下进行电子透镜 实验这对鲁斯卡的成长很有益处1928 年-1929 年期间，鲁斯卡在参与示波管技术研究工作的基础上，进行 了利用磁透镜和静电透镜使电子束聚焦成像的实验研究，证实在电子束照射下 直径为0.3mm的光阑可以产生低倍(1.3倍)的像，并验证了透镜成像公式 这就为创制电子显微镜奠定了基础 1931年，克诺尔和鲁斯卡开始研制电子显 微镜，他们用实验证明了为要获得同样的焦距，使用包铁壳的线圈，其安匝数 要比不包铁壳的线圈小得多1931年4月〜6月，他们采用二级磁透镜放大的 电子显微镜获得了 16倍的放大率。

通过计算他们认识到，根据德布罗意的物质 波理论，电子波长比光波波长短5个数量级，电子显微镜可能实现更高的分辨 率他们预测未来的电子显微镜，当加速电压为75 kV，孔径角为2x10-2弧度 时，衍射限制的分辨率将是0.22 nm.1932年-1933年间，鲁斯卡和合作者波里 斯(Borries)进一步研制了全金属镜体的电子显微镜，采用包有铁壳的磁线圈 作为磁透镜.为了使磁场更加集中，他们在磁线圈铁壳空气间隙中镶嵌非磁导体 铜环，并将铁碰上、下壳体内腔的端部做成漏斗形(磁极靴)，使极靴孔径和 间隙均减小到2 mm,而且焦距减小到3 mm1932年3月，波里斯和鲁斯卡将 此项磁透镜成果申请了德国专利1933 年，鲁斯卡在加速电压75 kV 下，运用焦距为3 mm 的磁透镜获得 12 000 倍放大率，还安装了聚光镜可以在高放大率下调节电子束亮度他拍摄了 分辨率优于光学显微镜的铝箔和棉丝的照片，并试验采用薄试样使电子束透射 从而形成电子放大像1934 年鲁斯卡以题为“电子显微镜的磁物镜”学位论文获得柏林技术大学工 学博士学位1934 年-1936 年，鲁斯卡继续进行改进电子显微镜的实验研究 采用聚光镜以产生高电流密度电子束来实现高倍放大率成像；采用物镜和投影 镜二级放大成像系统。

可是，当时他们的发明并未立即获得学术界和有关部门 承认，鲁斯卡和波里斯努力说服人们，使他们相信可能研制出性能超过光学显 微镜的电子显微镜他们多次到政府和工业研究部门以争取财政支持经过三 年的奔走，1937 年春西门子-哈斯克公司终于同意出资建立电子光学和电子显微 学实验室许多青年学者纷纷前来参加研究工作恩斯特•鲁斯卡从1937年开始着手研制商品电子显微镜，1938年制成两台 电子显微镜，带有聚光镜，配以具有极靴的物镜及投影镜，备有更换样品、底 片的装置，获得30 000倍放大率的图像恩斯特•鲁斯卡的弟弟哈尔墨特•鲁斯 卡(Helmut Ruska )和其他医学家立刻用来研究噬菌体等，获得很大的成功 1939 年西门子公司制造的第一台商品电子显微镜终于问世同年，电子显微镜 首次在莱比锡国际博览会上展出，引起广泛注意1940年，在恩斯特•鲁斯卡提 议下，西门子-哈斯克公司将上述实验室发展为第一个电子显微镜开放实验室， 由哈尔墨特•鲁斯卡任主任实验室装备了四台电子显微镜，接纳各国学者前来 做研究工作，推动了电子显微镜在金属、生物、医学等各个领域的应用与发 展在鲁斯卡工作的影响下，欧洲各国科学家先后也开始了电子显微镜的研究 和制造工作。

恩斯特•鲁斯卡及其合作者几十年来孜孜不倦地为改进电子显微镜辛勤工 作，为现代科学的发展作出了重要贡献电子显微镜为人们观察物质微观世界 开辟了新的途径在50年代中期制成的中、高分辨率电子显微镜，能够观察晶 体缺陷，促进了固体物理、金属物理和材料科学的发展在70年代出现的超高 分辨率电子显微镜使人们能够直接观察原子这对于固体物理、固体化学、固 体电子学、材料科学、地质矿物学和分子生物学的发展起了巨大的推动作用恩斯特•鲁斯卡在1986年获诺贝尔物理学奖后一年多于1988年5月27日 在德国柏林去世，他的一生完全贡献给了电子显微镜事业继他之后，不仅有 高压电镜和扫描电镜问世，而且还出现了另一种原理完全不同的显微镜，这就 是1982年发明的扫描隧道显微镜(简称STM)扫描隧道显微镜是通向微观世 界的又一个有力武器扫描隧道显微镜之所以得到发明并且迅速发展，是由于微电子学以极快的 速度发展的缘故作为电子计算机核心部份的硅集成块的集成度要求愈来愈 高，其尺寸愈来愈小，所带来的问题是集成块表面积与体积之比的急剧增大， 此时在集成块的工作状态中，以及它与其它逻辑元件的相互作用中，表面状态 变得愈来愈重要除此以外，在物理、化学及生物过程中，真实表面状态的研 究也有其重要意义。

透射电镜虽有很高的分辨率，但它所获得的图像实际上是 很薄样品的内部讯息，用于表面微观观察及分析几乎是不可能的扫描电镜的 发明，虽然给表面观察及分析提供了有力的工具，但由于高能电子束对样品有 一定穿透深度，所得的信息也不能反映"真实”表面状态针对这一问题，IBM 在瑞士苏黎士研究所的宾尼希与罗雷尔于1982 年发明了扫描隧道显微镜在不 到5 年的时间内，分辨率就达到了原子水平隧道显微镜的原理是巧妙地利用了物理学上的隧道效应及隧道电流大家 知道，金属体内存在大量“自由”电子，这些“自由”电子在金属体内的能量分布 集中于费米能级附近，而在金属边界上则存在一个能量比费米能级高的势垒 因此，从经典物理学来看，在金属内的“自由”电子，只有能量高于边界势垒的 那些电子才有可能从金属内部逸出到外部但根据量子力学原理，金属中的自 由电子还具有波动性，这种电子波在向金属边界传播而遇到表面势垒时，会有 一部分透射也就是说，会有部分能量低于表面势垒的电子能够穿透金属表面 势垒，形成金属表面上的“电子云”这种效应称为隧道效应所以，当两种金 属靠得很近时（几纳米以下），两种金属的电子云将互相渗透当加上适当的 电压时，即使两种金属并未真正接触，也会有电流由一种金属流向另一种金 属，这种电流称为隧道电流。

1981 年宾尼希等人用铂作了一个电极，用腐蚀得很尖的钨针作另一电极， 在两电极间小于2nm的距离以内，改变钨针对铂片的距离，测得隧道电流随这 距离的变化测量结果表明，隧道电流和隧道电阻随隧道间隙的变化非常敏 感，隧道间隙即使只发生0.01 nm的变化，也能引起隧道电流的显著变化对于非常光滑的样品平面，如新解理的晶体表面，从微观来看，是由原子 按一定规律排列起来的如果用一根很尖的探针（如钨针）在距离该表面上十 分之几纳米的高度上平行于表面在 x， y 方向扫描，由于每个原子有一定大小， 因而在扫描过程中隧道间隙就会随x, y的不同而不同，流过探针的隧道电流也 不同即使是百分之几纳米的高度变化也能在隧道电流上反映出来利用一台 与扫描探针同步的记录仪，将隧道电流的变化记录下来，即可得到分辨本领为 百分之几纳米的 STM 图像宾尼希1947年7月20日出生于德国的法兰克福其时正值第二次世界大 战结束不久，他和小伙伴们常常在废墟中做游戏，当时他并不懂得为什么建筑 物会成那个样子 10岁时，尽管他还不太了解物理但已决心要当一名物理学 家等到在学校里真正学到物理时，他大概有点怀疑这一选择了少年时代的 宾尼希是一个音乐爱好者，母亲很早就教他古典音乐。

15 岁时拉小提琴，参加 过学校的管弦乐队十几年后，当宾尼希开始做毕业论文时，才真正感到物理的魅力，认识到 做物理工作比学习物理更有乐趣他深切地体会到， “做”是“学”的正确途径1978 年宾尼希在法兰克福大学获博士学位他在做博士论文时参加马廷森（Martie nsse n）教授的研究组，指导教师是洪尼希（Hoe nig）博士宾尼希对马廷森教授非常佩服，这位教授很善于抓住和表述科学问题的实质洪尼希博 士指导他做实验，非常耐心在他的妻子外格勒（L.Wagler）的劝说下，宾尼希在完成博士论文后，接受 了 IBM 公司苏黎世研究实验室的聘任，参加那里的一个物理小组这是非常重 要的决定，因为在那里宾尼希遇到了罗雷尔罗雷尔1933 年6月6日出生于瑞士的布希（ Buchs ） ， 1949 年全家前往苏 黎世他对物理学的倾倒完全属于偶然，因为他原来喜欢古典语文和自然，只 是在向瑞士联邦工业大学注册时才决定主修物理在学校的四年中受教于泡 利、舒勒等著名教授1955 年开始作博士论文，很幸运得到了奥尔森（J.L.OIse n）教授的指导，博士论文题目涉及测量超导体在磁场中长度的变化 而奥尔森以测量杨氏模量的不连续性著称。

罗雷尔在实验中要用到非常灵敏的 机械传感器，往往要在夜深人静的时候工作四年的研究生生活使罗雷尔得到 了很好的锻炼1961年罗雷尔到美国的鲁特格尔斯（Rutgers）大学做了两年博士后，研究 的题目是II类超导体和金属的导热性1963年回到瑞士，在鲁希利康IBM研究 实验室工作，研究本多（Kondo）系统在脉冲磁场中的磁阻问题60年代末从 事反磁体研究，并在研究组组长缪勒（K.A. Muller ）的鼓励下研究临界现象在 这里，他开始与宾尼希合作，七十年代末开始致力于研制扫描隧道显微镜，终 于在1982年作出了导致获得1986年诺贝尔物理学奖的重大发明。