在微观世界里，量子力学的定律引发了奇特的现象，在一定条件下电子可以穿过势垒向真空发射，这称为“真空隧穿”。实际上电子还可以神奇地穿过薄的绝缘层，这在经典力学中更是不可想像的。如果两个金属电极之间有一个极薄的绝缘层(这个绝缘层可以用现代的技术得到，约1纳米厚)，被称为“隧道结(tunneljunction)”。

隧穿的概念当电子或其它微观粒子(例如质子和中子等)从势垒的一边入射时，即使它们不具有足够的动能从势垒顶部翻越过势垒，它们仍然能够在势垒入射的一边消失而在势垒的另一边出现．这种现象形象地称之为微观粒子隧道贯穿通过势垒或隧穿势垒．但要注意：在一般情况下只有当势垒宽度与微观粒子的德布洛意波长可比拟时，隧穿势垒的现象才显著得可以被观测到。

微观粒子隧穿势垒是粒子波动性的一种表现，根据量子力学的基本原理，表示微观粒子状态的波函数将延展到整个空间，它们在那些势能有限不连续点处也是光滑连续的．因此，虽然粒子的动能小于势垒的高度，它们仍然可以出现在按照经典力学是禁戒的势垒区域内并穿过势垒区，于是隧穿势垒现象就发生了，必须强调的是隧穿过程遵从能量守恒和动量(或准动量)守恒定律。1

真空隧穿法检测悬梁的偏转由真空间隙分开的两个金属电极之间的隧道电流的变化是每埃一个数量级。因此，真空隧穿可提供一种探测微位移的极端灵敏的方法。由Binnig，Quate和Gerber(1986)演示的第一个AFM，就利用真空隧穿来探测悬臂的偏转。

具有隧道偏转探测器的AFM的示意图见下图。

一个具有针尖的柔软而能回复原位的杆子夹在样品与另一个针尖之间，第二个针尖用于隧道过程。除了样品的x，y和z1扫描器之外，另一个压电元件z2用以控制隧道针尖(针尖2)和杆子背面之间的距离。用一个粗调定位机构(未表示)和2压电元件，对力灵敏的针尖(针尖1)与样品表面进入轻度接触，而隧道针尖对杆子背面进入真空隧穿的探测距离。当样品作光栅扫描时，针尖2与杆子之间的隧道电流与一个参考电流作比较，其差值作为对2。压电元件的反馈讯号。事实上，如要求隧道电流是一个定值，则悬臂的偏转以及作用在杆子上的力就保持恒定。2

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张磊 - 副教授 - 西南大学