skaningowy mikroskop tunelowy (STM) jest szeroko stosowany zarówno w badaniach przemysłowych, jak i podstawowych w celu uzyskania obrazów powierzchni metalowych w skali atomowej. Zapewnia trójwymiarowy profil powierzchni, który jest bardzo przydatny do charakteryzowania chropowatości powierzchni, obserwacji defektów powierzchni oraz określania wielkości i konformacji cząsteczek i agregatów na powierzchni. Przykłady zaawansowanych badań z wykorzystaniem STM są dostarczane przez aktualne badania w Electron Physics Group w NIST i w laboratoriach IBM. Kilka innych niedawno opracowanych mikroskopów skaningowych również wykorzystuje technologię skanowania opracowaną dla STM.
Chmura elektronowa związana z atomami metalu na powierzchni rozciąga się na bardzo małą odległość ponad powierzchnią. Kiedy bardzo ostra końcówka — w praktyce, igła, która została potraktowana tak, że pojedynczy atom wystaje ze swojego końca–jest wystarczająco blisko takiej powierzchni, istnieje silne oddziaływanie między chmurą elektronową na powierzchni a chmurą atomu końcówki, a elektryczny prąd tunelujący płynie, gdy przyłożone jest małe napięcie. Przy oddzieleniu kilku średnic atomowych prąd tunelujący gwałtownie wzrasta wraz ze zmniejszaniem się odległości między wierzchołkiem a powierzchnią. Ta szybka zmiana prądu tunelowania z odległością powoduje rozdzielczość atomową, jeśli końcówka jest skanowana nad powierzchnią w celu uzyskania obrazu.
Russell D. Young, z National Bureau of Standards, był pierwszą osobą, która połączyła wykrywanie tego prądu tunelowego z urządzeniem skanującym w celu uzyskania informacji o naturze powierzchni metalowych. Instrument, który opracował w latach 1965-1971, Topografiner, zmienił separację między końcówką a powierzchnią (z) tak, że przy stałym napięciu prąd tunelowania (lub, przy stałym prądzie, napięcie tunelowania) pozostał stały, gdy końcówka była skanowana nad powierzchnią. Zapisano współrzędne X, y i z wierzchołka. (Szczegółowe informacje na temat konstrukcji i działania topografinera znajdują się w bibliografii.) Ta sama zasada została później zastosowana w skaningowym mikroskopie tunelowym. Pozostałą barierą w rozwoju tego instrumentu była potrzeba bardziej odpowiedniej izolacji drgań, aby umożliwić stabilne pozycjonowanie końcówki nad powierzchnią. Ten trudny problem w projektowaniu mechanicznym został rozwinięty dzięki pracy Gerda Binniga i Heinricha Rohrera z IBM Research Laboratory w Zurychu w Szwajcarii, którzy w 1986 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie rozdzielczości atomowej w skaningowym mikroskopie tunelowym. W ogłoszeniu nagrody Królewska Szwedzka Akademia Nauk uznała pionierskie badania Russella Younga.
Bibliografia
R. D. Young, Rev.Sci. Instrum. 37, 275 (1966). R. D. Young, Physics Today 24, 42 (Nov. 1971). R. Young, J. Ward, and F. Scire, Phys. Wielebny Lett. 27, 922 (1971). R. Young, J. Ward, and F. Scire, Rev.Sci. Instrum. 43, 999 (1972).