История создания сканирующего туннельного микроскопа

История создания этой методики берет свое начало с конца 60-х годов XX века, когда Р. Янг (Национальное бюро стандартов, США) попытался использовать электронное туннелирование для исследования геометрической структуры поверхности. С этой целью он разработал прибор, названный им топографиметром, весьма напоминающий современный СТМ за одним принципиальным исключением: сканирование осуществлялось на расстоянии ~ 100 Е от поверхности и в режиме полевой электронной эмиссии (но не вакуумного туннелирования). В результате удалось наблюдать поверхность дифракционной решетки, но с разрешением лишь несколько сот ангстрем.

В ноябре 1978 года будущие Нобелевские лауреаты Герд Бинниг и Генрих Рорер вернулись к идее использования вакуумного туннелирования для локальной спектроскопии тонких оксидных слоев на металлах. Для перемещения острия на малые расстояния и поддержания ширины вакуумного зазора с субангстремной точностью были использованы пьезоэлектрические материалы и система обратной связи.

Несмотря на свою простоту, конструирование и изготовление СТМ до сих пор остается трудной задачей. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Основные проблемы, стоящие перед разработчиками являются:

• 1. Изоляция от акустических и механических вибраций;
• 2. Создание быстродействующей малошумящей электроники, работающей в широком динамическом диапазоне;
• 3. Обеспечение надежных сверхвысоковакуумных условий, допускающих различные манипуляции с образцом;
• 4. Изготовление тонких атомногладких острий-зондов и их диагностика.

Для решения первоначально казавшейся непреодолимой проблемы виброизоляции Герд Бинниг и Генрих Рорер в своей первой конструкции использовали даже сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла. В дальнейшем эту проблему удалось решить используя специальную подвеску в вакууме всего микроскопа на длинных пружинах и разместив сканирующий узел на массивном виброизолирующем столике.

В марте 1981 года (всего через 27 месяцев после того, как была сформулирована его базовая концепция) была экспериментально доказана экспоненциальная зависимость тунельного тока от расстояния между острием и образецом. День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии. За создание прибора Герду Биннингу и Генриху Рореру в 1986 году была присуждена Нобелевская премия.