显微镜的发展史

1674年	Leeuwenhoek(李文赫克)：发现原生动物学的报导问世 并于九年后成为首位发现「细菌」存在的人。
1833年	Brown(布朗)：在显微镜下观察紫罗兰，随后发表他对细胞核的详细论述。
1838年	Schlieden and Schwann(雪莱敦及史汪)：皆提倡细胞学原理，其主旨即为「有核细胞是所有动植物的组织及功能之基本元素」。
1857年	Kolliker(寇利克)：发现肌肉细胞中之粒线体
1876年	Abbe(阿比)：剖析影像在显微镜中成像时所产生的绕射作用，试图设计出最理想的显微镜
1879年	Flrmming(佛莱明)：发现了当动物细胞在进行有丝分裂时，其染色体的活动是清晰可见的。
1881年	Retziue(芮祖)：动物组织报告问世，此项发表在当世尚无人能凌驾逾越。然而在20年后，却有以Cajal(卡嘉尔)为首的一群组织学家发展出显微镜染色观察法，此举为日后的显微 剖学立下了基础。
1882年	Koch(寇克)：利用苯安染料将微生物组织进行染色，由此他发现了霍乱及结核杆菌。往后20年间，其它的细菌学家，像是Klebs and Pasteur(克莱柏和帕斯特)则是藉由显微镜下检视染色药品而证实许多疾病的病因。
1886年	Zeiss(蔡氏)：打破一般可见光理论上的极限，他的发明--阿比式及其它一系列的镜头为显微学者另辟一新的解像天地。
1898年	Golgi(高尔基)：首位发现细菌中高尔基体的显微学家。他细胞用硝酸银染色而成就了人类细胞研究上的一大步。
1924年	Lacassagne(兰卡辛)：与其实验工作伙伴共同发展出放射线照相法，这项发明便是利用放射性钋元素来探查生物标本。
1930年	Lebedeff(莱比戴卫)：设计并搭配第一架干涉显微镜。另外由Zernicke(卓尼柯)在1932年发明出相位差显微镜，两人将传统光学显微镜延伸发展出来的相位差观察使生物学家得以观察染色活细胞上的种种细节。
1941年	Coons(昆氏)：将抗体加上萤光染剂用以侦测细胞抗原。
1952年	Nomarski(诺马斯基)：发明干涉相位差光学系统。此项发明不仅享有专利权并以发明者本人命名之。
1981年	Allen and Inoue(艾伦及艾纽)：将光学显微原理上的影像增强对比，发展趋于完美境界。
1988年	Confocal(共轭焦)扫瞄显微镜在市场上被广为使用。

光学显微镜演绎史扫描式穿隧显微镜（STM） 

一、前言 
人类利用玻璃显微镜以观测微观世界已有悠久的历史，例如生物学家利用显微镜观察细胞组织并证实细菌的存在对人类有着非常重大的贡献。人的好奇心是无止境的，玻璃显微镜受到鉴别率的限制，在放大率高于1000倍之后，纵使再提高放大率所能见到的只是模糊的影像而已。这个鉴别距离的极限，光学计算告诉我们约为所使用光波波长的一半(精确公式是由德国光学家Ernst Abbe于1873年提出，这儿从略)。例如就以人类眼精最敏感的绿色光而言，其波长约为5,000埃，所以玻璃显微镜的最小鉴别距离约为2500埃，而且这还是以石英为透镜材料制成的显微镜并置于折射率较空气高的油液里观察所测得的最佳结果(若置于空气中观察，最小鉴别距离约为所使用光波波长的0.6倍)，人类早在1890年即已制成到达这个解析极限的显微镜了。 
这个由于使用光源波长所造成最小鉴别距离的限制，科学家竭尽心智地想加以突破。1924年法国物理学家第布格劳义(De Brogile)提出物质波的概念，粒子于运动状态必具有对应的物质波，其波长l与动量P(动量等于质量乘以速率)的关系为 ，h为有名的浦郎克常数。这个理论于1927年的电子绕射实验获得证实。根据物质波的理论很容易地可推导出具有动能为E电子伏特(eV)的电子所具有的物质波波长为 埃。因此加速至10KeV的电子波长为0.12埃。很明显地，利用电子来成像，鉴别率大大的可予以提高，甚至有希望鉴别出个别的原子来，这一令人兴奋的发现，掀起对电子显微镜发展的热潮。 

二、电子显微镜 
人类肉眼所能鉴别的最小距离在最佳的条件下约为0.1毫米，但正常情况而不使眼睛十分疲乏下该距离为0.25毫米。我们知道原子的大小是数个埃，因此电子显微镜的放大率约需为106倍才有希望鉴别出个别的原子。从第一节的讨论我们已经知道波长限制鉴别率的问题对电子显微镜而言是不存在。因此剩下的问题是如何设计对电子成像加以放大的电子透镜。第一个从事这方面研究有成而使电子显微镜成为科学研究利器的是德国科学家路斯卡(E. Ruska)，他在1931年利用电子在磁场中运动方向改变的原理加以聚焦，此种透镜称之为磁透镜。隔年，他与诺尔(Knoll)合作利用磁透镜制作出真正具有放大功能的电子显微镜，这使得路斯卡与近年来发展出另一种新式显微镜称之为扫描式穿隧显微镜(Scanning Tunneling Microscope)的宾尼格(G. Binnig)及罗乐尔(H. Rohrer)共同荣获1986年的诺贝尔物理奖。 
也许读者会奇怪，为何电子显微镜先驱者?D路斯卡竟迟了五十余年始获得诺贝尔奖？这还得从电子显微镜的发展历史来看方才清楚。固然理论上看，电子显微镜是具有鉴别原子大小的潜力，但由于电子显微镜存有球面像差及由于制作上的不完美存在着各式各样的缺陷，因此解析个别原子的存在，仍然力有未逮；一般而言，各式各样的电子显微镜如透射式(Transmission Electron Microscope)，反射式(Reflection Electron Microscope)，激射式(Emission Electron Microscope)乃至于镜式(Mirror Electron Microscope)等电子显微镜，最佳鉴别率约在50~500埃之间，距离原子的大小数个埃尚有一段距离，只有当样品厚度薄至100埃之下，透射式电子显微镜的最佳鉴别距离可小至3埃。但是这种厚度对固体样品的准备难上加难，纵使克服技术上的困难，所制成之样品其表面已非原先欲观测之表面，因此对材料界、工业界，乃至于科学界而言，有不切实际之叹。其后科学家又设计出所谓的场离子显微镜(Field Ion Microscope)，成像原理是将样品制成很尖的尖端(半径约1000埃)或蒸镀于钨的尖端上，加上高电场(约 )，利用氦或其它惰性气体当其在针尖附近跳跃而距离在数个埃之内时，由于量子力学中之隧道效应使氦原子变成氦的离子，再利用氦离子加以放大成像，若样品温度低至20K时，其鉴别距离可小至2到3埃；但问题是样品需成尖端或蒸镀于钨制的尖端，在这个限制下，其功能也就大打折扣了。 
近一、二十年来由于半导体工业兴起，对金属及半导体表面物理及化学性质的了解更形迫切。物理学家也更积极地展开研究及制作新式显微镜。终于在1981年瑞士 苏黎士(Zurich)的IBM实验室，正式发表一种名叫扫描式穿隧显微镜(Scanning Tunneling Microscope)发展成功，不但具有原子大小的鉴别能力，而且观测时样品不必特别准备，这个技术发表后，经世界各大实验室加以研究改进，在1985年技术已告成熟，应用范围极广，因此今年诺贝尔物理奖乃落在对该显微镜原始之发展贡献最大的宾尼格及罗乐尔，同时饮水思源，将奖金的一半，分赠给电子显微镜先驱者?D路斯卡。以下将对今年获得诺贝尔奖的扫描式穿隧显微镜的发展历史、物理原理及其功用做一较详尽之介绍。 

三、扫描式穿隧显微镜的发展历史 
1987年宾尼格还是大学研究所的研究生，有一天罗乐尔至宾尼格的大学做专题演讲，介绍IBM准备在苏黎世建立专门研究固体表面的实验室，在讨论时宾尼格建议利用量子现象中之真空穿隧效应来设计一新的研究工具，这个想法深获罗乐尔的赞同。同年十一月宾尼格获博士学位后立即到苏黎世的IBM表面科学实验室展开研究工作。最主要是这项新构想下的探针设计制作及如何扫描所欲观测之表面。 
真空穿隧效应的产生，需一个非常尖锐的探针极端地接近样品的表面，真到探针尖端及样品表面的电子波函数相互重叠，这个距离需小至5埃左右(别忘了一埃等于10-10米，这个距离只有可见光波长的千分之一)。这时供给约1伏特的电位差于探针及样品之间，将系统抽成真空后，电子即可穿越电位障壁而发生量子效应下的穿隧现象，于是我们可测出所谓的穿隧电流。由于波函数与距离是依指数关系而递减，因此穿隧电流大小对探针尖端与被探测表面之间的距离变化非常敏感。当探针扫瞄样品表面时，穿隧电流的强弱即可反映出表面的平滑程度，可贵的是：若探针够尖（到底多尖留在下节讨论），其鉴别能力可达原子的范围。 
从上述可知，该显微镜的制作最大的技术困难有三：一是如何克服探针的热飘移及实验室的微小震荡以维持探针的稳定性；二是如何制作尖细的尖端，以提高鉴别能力；三是如何扫瞄样品的表面；这些困难正是苏黎世IBM实验是研究群所欲克服的。 
热飘移的问题困扰着宾尼格等人相当长的时间，后来他发现利用钨制的探针，若过份细长较易受到热震荡的影响，粗短的探针有助于排除这方面的影响。至于实验室的低频震荡的克服，是将显微镜悬浮于超导金属所产生之磁场中以去除系统的震荡（这是属于第一代的设计）。至于探针尖端的制作是利用直径约为一毫米的钨丝加以细心研磨，可使尖端半径约为一千埃。扫瞄的控制较为复杂将于下一节利用图形加以说明。 
经过两年多来的尝试与改进，一九八一年三月十二日宾尼格及罗乐尔首次用XY图形记录器清楚地正式了隧道电流的产生，电子通过了真空障壁，数周后，他们清晰、明确而且可以重复地包舍了金晶体表面两台地间（terrace）的原子陡壁（step）。吸引物理界注目的不是隧道电流的产生，而是可重复观察的原子陡壁。 
观测成功的历程是艰辛的。宾尼格及罗乐尔最初并未能纪录金晶体样品的缺陷，由于探针需尽量地靠近样品表面（别忘了只有数个埃的距离），因此很容易触及样品的表面甚或误伤了样品表面。可是他们并不灰心，一再尝试控制探针，突然在经过十二小时的失败后，没有任何明显理由下，XY图形记录器出现了原子大小的陡壁，成功的原因一直到以后相当长的时间才了解：微小的热飘移使探测的位置发生了相对的小位移，探针得以探测光滑未受损的表面，粗糙探针的针尖有着急微小的凸点，这小凸点才是真正探针的尖端。在苏黎世的研究员确曾为了该显微镜具有原子范围的鉴别能力大吃一惊，宾尼格曾计算过，半径为一千埃的探针尖端，横向最小鉴别距离应为45埃，但鉴别原子则需小至2埃左右，这种意想不到的鉴别能力来自粗糙的小凸点，估计它的有效直径小于10埃。若非此小凸点建功，则45埃的扫瞄式穿隧显微镜充其量只是在众多表面结构探测仪器中增列一种而已，绝不可能时至今日科学界尚充满着兴奋的心情继续研究它，更不可能获得今年的诺贝尔奖了。 
在苏黎世IBM实验是正式发表扫瞄式穿隧显微镜成功后，世界各大实验室争相研究发展，至今已到了第四代，装置既精巧，效果又佳，不但在消除震荡有了新改进，探针尖端的制作更是技术精良，利用场蒸发技术（Field-evaporation Technique），苏黎世IBM实验室的芬克（H. W. Fink）先生已经制作出只含三个原子的尖端了。越细的尖端鉴别能力越佳，芬克先生自信不久他可制出只含一个原子的尖端。 

四、扫瞄式穿隧显微镜的原理与结构 
如前节所述，穿隧电流的产生是因为探针的尖端与金属表面电子的波函数重叠后，加一高电场诱发电子穿越电位障壁，而进入古典禁止区，这是一种量子的自然现象，无法以古典观点加以解释。先决的条件需两者接近电子波函数可以重叠的距离，这个距离约为5埃左右。穿隧电流与这个距离的关系成指数函数而递减的，大略地说，当距离增加一个埃，穿隧电流约减为原来的十分之一。探针在金属表面扫瞄时，若穿隧电流为一定，记录探针尖端的高低位置，其图形正是该金属表面的形态。 
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