De scanning tunneling microscope (STM) wordt veel gebruikt in zowel industrieel als fundamenteel onderzoek om beelden op atomaire schaal van metalen oppervlakken te verkrijgen. Het biedt een driedimensionaal profiel van het oppervlak dat zeer nuttig is voor het karakteriseren van oppervlakteruwheid, het observeren van oppervlaktefouten en het bepalen van de grootte en de bouw van moleculen en aggregaten op het oppervlak. Voorbeelden van geavanceerd onderzoek met behulp van de STM worden gegeven door de huidige studies in de Elektronenfysica groep bij NIST en bij de IBM laboratoria. Verscheidene andere recent ontwikkelde aftastenmicroscopieën gebruiken ook de aftastentechnologie die voor STM wordt ontwikkeld.
de elektronenwolk geassocieerd met metaalatomen op een oppervlak strekt zich over een zeer kleine afstand boven het oppervlak uit. Wanneer een zeer scherpe punt-in de praktijk een naald die zo is behandeld dat een enkel atoom vanaf het einde projecteert-voldoende dicht bij zo ‘ n oppervlak wordt gebracht, is er een sterke interactie tussen de elektronenwolk op het oppervlak en die van het atoom van de punt, en een elektrische tunnelstroom stroomt wanneer een kleine spanning wordt toegepast. Bij een scheiding van enkele atoomdiameters neemt de tunnelstroom snel toe naarmate de afstand tussen de punt en het oppervlak afneemt. Deze snelle verandering van tunneling stroom met afstand resulteert in atomaire resolutie als het uiteinde over de oppervlakte wordt gescand om een beeld te produceren.Russell D. Young, van het National Bureau of Standards, was de eerste persoon die de detectie van deze tunnelstroom combineerde met een scanapparaat om informatie te verkrijgen over de aard van metalen oppervlakken. Het instrument dat hij tussen 1965 en 1971 ontwikkelde, de Topografiner, veranderde de scheiding tussen de punt en het oppervlak (z) zodat bij constante spanning de tunnelstroom (of, bij constante stroom, de tunnelspanning) constant bleef terwijl de punt over het oppervlak werd gescand. De x -, y-en z-coördinaten van de punt werden geregistreerd. (Voor details over het ontwerp en de werking van de Topografiner, zie de referenties in de Bibliografie.) Hetzelfde principe werd later gebruikt in de scanning tunneling microscoop. De resterende barrière voor de ontwikkeling van dat instrument was de behoefte aan een meer adequate trillingsisolatie, om een stabiele positionering van de punt boven het oppervlak mogelijk te maken. Dit moeilijke probleem in mechanisch ontwerp werd overwonnen door het werk van Gerd Binnig en Heinrich Rohrer, IBM Research Laboratory, Zürich, Zwitserland, die in 1986 deelden in de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun ontdekking van atomaire resolutie in het aftappen tunneling microscopie. In hun aankondiging van de prijs erkende De Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen de baanbrekende studies van Russell Young.
Bibliografie
R. D. Young, Rev. Sci. Instrum. 37, 275 (1966). R. D. Young, Physics Today 24, 42 (Nov. 1971). R. Young, J. Ward, en F. Scire, Phys. Eerwaarde Lett. 27, 922 (1971). R. Young, J. Ward, and F. Scire, Rev. Sci. Instrum. 43, 999 (1972).