2006年2月20日
Elizaveta Galitckaia / Shutterstock
一般来说，当人们想到显微镜时，首先想到的是电子显微镜或光学显微镜。这种显微镜通过在物体表面定向电磁辐射，如电子或光子，产生放大的图像。
电子显微镜和光学显微镜能毫不费力地产生物体表面的二维放大图像。光学显微镜的放大倍数可达1000倍，电子显微镜的放大倍数可达10万倍。
尽管这些显微镜是坚固的工具，获取的图像通常是在物体表面水平的平面上。这种显微镜不直接提供物体表面的垂直尺寸或表面特征的深度和高度。
20世纪80年代中期制造的原子力显微镜(AFM)使用锋利的探针来放大表面特征。AFM使其能够以非常高的放大倍数(高达1,000,000X)来成像物体的表面形貌。
AFM的放大是三维的，水平的X-Y面和垂直的Z面。隧道显微镜的发明者Binnig和Rohrer一致认为，这种可靠的方法起源于触控笔分析器。
笔分析器
物体的垂直表面特征的放大——即那些从水平面升起并在垂直方向扩散的特征——传统上是由手写分析器来测量的。
Schmalz于1929年发明了这种轮廓仪，它利用一个光学杠杆臂来跟踪位于悬臂末端的尖锐探针的运动。通过在照相纸上记录触针的运动，可以得到放大的表面轮廓。这种“显微镜”产生的轮廓“图像”具有>1000X的放大倍数。
触控笔分析器的一个典型问题是触控笔与表面特征的碰撞可能导致探针弯曲。这种“探头弯曲”是由于探头在表面遇到较大的特征时所受到的水平力造成的。这个问题最早是由贝克尔在1950年研究的，后来又由李研究。
Becker和Lee提出，探头可以从表面上方的零位振荡，以与表面接触。Becker表示，当这种振动剖面技术用于测量图像时，图像的细节将由探测器的清晰度决定。
1971年，拉塞尔·杨(Russell Young)制造了一种非接触式手写分析器，称为地形分析器。他使用的事实是，表面和锋利的金属探针之间的电子场发射电流很大程度上取决于导电样品的探针样品的距离。
地形仪中的探头直接安装在压电陶瓷上，用于在表面上方垂直方向移动探头。然后使用跟踪电子发射的电子反馈电路来移动压电陶瓷，从而保证探针样品的间距。
然后，用压电陶瓷，探头在水平(X-Y)尺寸扫描表面。通过跟踪探测器的X-Y和Z位置，生成了表面的三维图像。杨的仪器的分辨率是由仪器的振动来调节的。
扫描隧道显微镜和原子力显微镜
1981年，IBM的科学家们能够利用杨格最初展示的技术，创造出扫描隧道显微镜(STM)。Binnig和Rohrer证明，通过调节仪器的振动(这与Young的地形测量仪非常相似)，可以跟踪样品和尖锐探针之间的电子隧穿电流。
由于电子隧穿比场发射相对更敏感，探针可以用于非常接近表面的扫描。结果是惊人的;宾尼和罗勒可以在表面上看到独立的硅原子。尽管STM被认为是科学研究的基础进步，但它的应用很少，因为它只在导电样品上工作。
1986年，当Binnig和Quate演示AFM时，剖面仪进行了重大发展。利用悬臂末端的超小探针，AFM可以获得非常高的分辨率。
首先，利用STM尖端跟踪悬臂梁的运动。然而，人们很快就了解到，一种类似于Schmalz最初使用的技术的轻型杠杆，可以用来量化悬臂的运动。Binnig和Quate在他们的论文中提出，可以通过在表面上方振动悬臂来增强AFM。
1987年，Wickramasinghe首次在AFM中提供了悬臂振动技术的实际演示。他用光学干涉仪计算悬臂振动的振幅。
利用该光学方法，实现了0.3 nm ~ 100 nm的振荡幅度。每次振荡时，探测器就会与表面紧密接触，Wickramasinghe就能够探测到表面上的物质。欧洲杯足球竞彩光刻胶和硅之间的差异很容易观察到。