1986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——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-Institut der Max-Planck-Gesellschaft）的恩斯特·鲁斯卡（ErnstRuska，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（Rüschlikon）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（Heinrich 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2×10-2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 mm。1932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0.01nm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（Martienssen）教授的研究组，指导教师是洪尼希（Hoenig）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.Olsen）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.Müller）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。