第一節 從外婆的老花鏡講起(3 / 3)

在研發“西門子超顯微鏡”的同時,他和弟弟赫爾穆特·魯斯卡及其同事開始了它的應用,尤其是在醫學和生物學領域。為了使它能夠迅速地應用於各個領域,他們建議西門子公司建立一所電子顯微鏡研究所。1940年建成後直至1944年底,這個研究所共發表了約200篇不同專業領域的文章。

二戰後,魯斯卡為西門子公司重建了在柏林的電子光學實驗室,1949年起重新開始生產電子顯微鏡,有超過1200家的各國研究所使用他們的產品。除此之外,魯斯卡開始更多地在科學研究所工作,以加大對電子顯微鏡的物理學研究。1947年8月~1948年12月,魯斯卡在德國科學學會醫學和生物學研究所工作,1949年1月起,接手馬克斯·普朗克協會弗裏茨·哈伯研究所的電子顯微鏡部門,直至1974年底退休。這個部門在1957年成為獨立的電子顯微鏡研究所,並以魯斯卡的名字命名。魯斯卡也在此前的1955年辭去了西門子公司的工作。

1944年,魯斯卡在柏林工業大學獲得大學任教資格,1949年,成為柏林自由大學的教授,1959年起仍在柏林工業大學任教,直至1971年,教授電子光學基礎和電子顯微鏡技術,發表科學文章超過100篇。

恩斯特·魯斯卡在1986年獲諾貝爾物理學獎後一年多,於1988年5月27日在德國柏林去世。他的一生完全貢獻給了電子顯微鏡事業。

3.1.3 掃描隧道顯微鏡

繼恩斯特之後,不僅有高壓電鏡和掃描電鏡問世,而且還出現了另一種原理完全不同的顯微鏡。這就是1982年發明的掃描隧道顯微鏡(簡稱STM)。掃描隧道顯微鏡是人類邁向微觀世界的又一個有力工具。這種新一代的顯微鏡的發明人是德國的賓尼希和瑞士的羅雷爾。賓尼希,1947年7月4日出生於德國的法蘭克福。當時正值第二次世界大戰結束不久,他和小夥伴們常常在廢墟中做遊戲,當時他並不懂得為什麼建築物會變成那個樣子。10歲時,盡管他還不太了解物理是什麼,但已決心要當一名物理學家。等到在學校裏真正學到物理時,他大概有點懷疑這一選擇了。十幾年後,當賓尼希開始做畢業論文時,才真正感到物理的魅力,認識到做物理工作比學習物理更有樂趣。他深切地體會到,由學到做才是正確途徑。這就是“學以致用”的原則。

1978年,賓尼希在法蘭克福大學獲博士學位。他在做博士論文時參加了馬廷森教授的研究組,指導教師是洪尼希博士。洪尼希博士非常耐心地指導他做實驗,從而提高了他的動手能力。賓尼希在完成博士論文後,在他的妻子威格勒的勸說下,接受了IBM公司蘇黎世研究實驗室的聘任,參加那裏的一個物理小組。這是非常重要的決定,因為在那裏賓尼希遇到了羅雷爾。他們的相遇成就了一項重要的發明。“相遇成金”在這裏又一次得到了印證。

羅雷爾,1933年6月6日,出生於瑞士的布希,1949年,全家前往蘇黎世。他對物理學的喜愛完全屬於偶然,因為他原來喜歡古典語文和自然,隻是在向瑞士聯邦工業大學注冊時才決定主修物理。在學校的4年中,受教於泡利、舒勒等著名教授。1955年開始作博士論文,很幸運得到了奧爾森教授的指導,博士論文題目涉及測量超導體在磁場中長度的變化。而奧爾森以測量楊氏模量的不連續性著稱。羅雷爾在實驗中要用到非常靈敏的機械傳感器,往往要在夜深人靜的時候工作。4年的研究生生活使羅雷爾得到了很好的鍛煉。

1961年,羅雷爾到美國的魯特格爾斯大學做了兩年博士後,研究的題目是Ⅱ類超導體和金屬的導熱性。1963年,他回到瑞士,在魯希利康IBM研究實驗室工作,研究脈衝磁場中的磁阻問題。60年代末,從事反磁體研究,並在研究組組長繆勒的鼓勵下研究臨界現象。在這裏,他開始與賓尼希合作。70年代末,開始致力於研製掃描隧道顯微鏡,終於在1982年獲得重大發明,並收獲了1986年諾貝爾物理學獎。

掃描隧道顯微鏡之所以得到發明並且迅速發展,是由於微電子學以極快的速度發展。作為電子計算機核心部分的矽集成塊的集成度要求愈來愈高,其尺寸愈來愈小,所帶來的問題是集成塊表麵積與體積之比的急劇增大。此時,在集成塊的工作狀態中,以及它與其他邏輯元件的相互作用中,表麵狀態變得愈來愈重要。這種微觀世界的細微變化需要有可以觀測到它的工具。這個任務不要說光學顯微鏡,就是普通的電子顯微鏡也不能夠勝任。除此以外,在物理、化學及生物發展過程中,真實表麵狀態的研究也有其重要意義。掃描電鏡的發明雖然給表麵觀察及分析提供了有力的工具,但由於高能電子束對樣品有一定穿透深度,所得的信息也不能反映“真實”表麵狀態。針對這一問題,IBM在瑞士蘇黎世研究所的賓尼希與羅雷爾於1982年發明了掃描隧道顯微鏡。在不到5年的時間內,分辨率就達到了原子水平。

對於非常光滑的樣品平麵,如新解理的晶體表麵,從微觀來看,原子是按一定規律排列起來的。如果用一根很尖的探針(如鎢針)在距離該表麵上十分之幾納米的高度上平行於表麵在x、y方向掃描,由於每個原子有一定大小,因而在掃描過程中隧道間隙就會隨x、y的不同而不同,即使是百分之幾納米的高度變化,也能在隧道電流上反映出來。利用一台與掃描探針同步的記錄儀,將隧道電流的變化記錄下來,即可得到分辨率為百分之幾納米的電子顯微圖像。人們終於可以看清原子級別的圖像,從而為微控製技術的發展做出了重要貢獻。