摘要：自從1933年德國(guó)ruska和knoll等人在柏林制成臺(tái)電子顯微鏡后，幾十年來(lái)，有許多用于表面結(jié)構(gòu)分析的現(xiàn)代儀器先后問(wèn)世。如透射電子顯微鏡（tem）、掃描電子顯微鏡（sem）、場(chǎng)電子顯微鏡（fem ）、場(chǎng)離子顯微鏡（fim）、低能電子衍射（leed）、俄歇譜儀（aes）、光電子能譜（esca）、電子探針等。
自從1933年德國(guó)ruska和knoll等人在柏林制成臺(tái)電子顯微鏡后，幾十年來(lái)，有許多用于表面結(jié)構(gòu)分析的現(xiàn)代儀器先后問(wèn)世。如透射電子顯微鏡（tem）、掃描電子顯微鏡（sem）、場(chǎng)電子顯微鏡（fem ）、場(chǎng)離子顯微鏡（fim）、低能電子衍射（leed）、俄歇譜儀（aes）、光電子能譜（esca）、電子探針等。這些技術(shù)在表面科學(xué)各領(lǐng)域的研究中起著重要的作用。但任何一種技術(shù)在應(yīng)用中都會(huì)存在這樣或那樣的局限性，例如，leed及x射線衍射等衍射方法要求樣品具備周期性結(jié)構(gòu)，光學(xué)顯微鏡和sem的分辨率不足以分辨出表面原子，高分辨tem主要用于薄層樣品的體相和界面研究，fem和fim只能探測(cè)在半徑小于100nm的針尖上的原子結(jié)構(gòu)和二維幾何性質(zhì)，且制樣技術(shù)復(fù)雜，可用來(lái)作為樣品的研究對(duì)象十分有限；還有一些表面分析技術(shù)，如x射線光電子能譜(els)等只能提供空間平均的電子結(jié)構(gòu)信息；有的技術(shù)只能獲得間接結(jié)果，還需要用試差模型來(lái)擬合。此外，上述一些分析技術(shù)對(duì)測(cè)量環(huán)境也有特殊要求，例如真空條件等。
1982年，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的葛·賓尼（gerd binnig）博士和?！ち_雷爾(heinrich rohrer)博士及其同事們共同研制成功了一臺(tái)新型的表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope,以下簡(jiǎn)稱stm）。它的出現(xiàn)，使人類次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景，被國(guó)際科學(xué)界為八十年代世界科技成就之一。為表彰stm的們對(duì)科學(xué)研究的杰出貢獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
在stm出現(xiàn)以后，又陸續(xù)發(fā)展了一系列工作原理相似的新型顯微技術(shù)，包括原子力顯微鏡（atomic force microscope,以下簡(jiǎn)稱afm）、橫向力顯微鏡（lateral force microscope,以下簡(jiǎn)稱lfm）等，這類基于探針對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行掃描成象的顯微鏡統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡（scanning probe microscope,以下簡(jiǎn)稱spm）。
與其它表面分析技術(shù)相比，spm所具有的優(yōu)點(diǎn)可歸納為以下五條：
1、原子級(jí)高分辨率。如stm在平行和垂直于樣品表面方向的分辨率分別可達(dá)0.1nm和0.01nm，即可以分辨出單個(gè)原子，具有原子級(jí)的分辨率。圖1比較了spm與其它顯微技術(shù)的分辨率。
圖1. 掃描探針顯微鏡（spm）與其他顯微鏡技術(shù)的分辨本領(lǐng)范圍比較
hm：高分辨光學(xué)顯微鏡； pcm：相反差顯微鏡； (s)tem：（掃描）透射電子顯微鏡；
fim：場(chǎng)離子顯微鏡；rem：反射電子顯微鏡
2、可實(shí)時(shí)地得到實(shí)空間中表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)研究。這種可實(shí)時(shí)觀測(cè)的性能可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究。
3、可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì)。因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等。
4、可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在水和其它溶液中，不需要特別的制樣技術(shù)，并且探測(cè)過(guò)程對(duì)樣品無(wú)損傷。這些特點(diǎn)適用于研究生物樣品和在不同試驗(yàn)條件下對(duì)樣品表面的評(píng)價(jià)，例如對(duì)于多相催化機(jī)理、超導(dǎo)機(jī)制、電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中電極表面變化的監(jiān)測(cè)等。
5、配合掃描隧道譜sts(scanning tunneling spectroscopy)可以得到有關(guān)表面結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。
如果將應(yīng)用范圍較接近于spm的電子顯微鏡、場(chǎng)離子顯微鏡與其作一簡(jiǎn)略比較（見(jiàn)表1），就可對(duì)stm儀器的特點(diǎn)及優(yōu)越性有一清晰的認(rèn)識(shí)。
表1. 掃描探針顯微鏡（spm）與其他顯微鏡技術(shù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)比較
分辨率
工作環(huán)境
樣品環(huán)境
溫度
對(duì)樣品
破壞程度
檢測(cè)深度
掃描探針顯微鏡（spm）
原子級(jí)(0.1nm)
實(shí)環(huán)境、大氣、溶液、真空
室溫或低溫
無(wú)
100μm量級(jí)
透射電鏡（tem）
點(diǎn)分辨(0.3~0.5nm)晶格分辨(0.1~0.2nm)
高真空
室溫
小
接近sem,但實(shí)際上為樣品厚度所限，一般小于100nm.
掃描電鏡（sem）
6~10nm
高真空
室溫
小
10mm (10倍時(shí))
1μm (10000倍時(shí))
場(chǎng)離子顯微鏡（fim）
原子級(jí)
超高真空
30~80k
有
原子厚度
此外，在技術(shù)本身，spm具有的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格便宜、對(duì)安裝環(huán)境要求較低、對(duì)樣品無(wú)特殊要求、制樣容易、檢測(cè)快捷、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，同時(shí)spm的日常維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用也十分低廉，因此，spm技術(shù)一經(jīng)發(fā)明，就帶動(dòng)納米科技快速發(fā)展，并在很短的時(shí)間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。