掃描隧道顯微鏡怎樣操縱原子

      用STM進行單原子操縱主要包括三個部分，即單原子的移動，提取和放置。使用STM進行單原子操縱的較為普遍的方法是在STM針尖和樣品表面之間施加一適當幅值和寬度的電壓脈沖，一般為數伏電壓和數十毫秒寬度。由于針尖和樣品表面之間的距離非常接近，僅為0.3－1.0nm。因此在電壓脈沖的作用下，將會在針尖和樣品之間產主一個強度在 109～1010V／m數量級的強大電場。這樣，表面上的吸附原子將會在強電場的蒸發下被移動或提取，并在表面上留下原子空穴，實現單原子的移動和提取操縱。同樣，吸附在STM針尖上的原子也有可能在強電場的蒸發下而沉積到樣品的表面上，實現單原子的放置操縱。

      近代以來，由于人們的觀察視野已經延伸到了納米領域，而光束在成像時總會受到有限大小的有效光闌的限制，所以此時光的衍射作用就不容忽略了。對于顯微鏡來說，其發光物一般距物像很近，這時應考慮菲涅爾衍射，物點成像后在像面上應成為一菲涅爾圓斑，不過通常情況下，我們可以用夫瑯禾費圓斑進行近似替代。那么光學顯微鏡的分辨率最佳只能達到阿貝極限：0.2μm。即便如德國科學家施特芬·黑爾等科學家制作出的借助脈沖激光突破阿貝極限的光學顯微鏡，分辨率也僅停留在20nm，依然難以滿足人們進軍微觀領域的需要。而且此顯微鏡價格高昂，在80萬歐元左右。事實上，當年白春禮教授僅僅借助從國外帶來的幾個重要零件并加以組裝就得到了STM。一臺普通的STM價格都在10萬RMB以下。因此我們需要尋找更經濟且性能更好的顯微鏡來替代光學顯微鏡。

     在這種情況下，掃描探針、光導鑷子、高解析度電鏡就應運而生。其中，運用探針進行進場操作的掃描探針顯微技術無疑引起了人們最為廣泛的關注。

     掃描探針顯微術SPM

     掃描探針顯微技術主要是利用頂端約1-10?的探針來3D解析固體表面納米尺度上的局部性質。掃描探針顯微鏡SPMs就是一系列的基于掃描探針顯微術而發展起來的顯微鏡，它包括STM、AFM、LFM、MFM等等。其中STM和AFM的發明使得各種掃描探針顯微技術有了長足的發展，下面我們先來看一下迄今為止衍生出來的主要的掃描探針分析儀：

電子結構：掃描隧道電流鏡STS

STS用來在低溫情況下測定電子結構；

光學性質：近場掃描光學顯微鏡NSOM

NSOM打破了衍射限制，允許光進入亞微米波長范圍（50-100nm），用于彈性和非彈性的光學掃描測定，也可以用于光刻技術；

溫度：熱掃描顯微鏡STHM

STHM用溫度傳感器繪制出電子/光電子納米器件的溫度場，測定納米結構的熱物理性質；

介電常數：掃描電容顯微鏡SCM

SCM主要應用在半導體上。由于半導體電容依賴于載流子的濃度，因此研究者可以用SCM繪制出摻雜劑在半導體中的分布圖。它優越之處在于納米尺度上的立體分辨能力；

磁性：磁力共振顯微鏡MFM

MFM可以給磁域成像作為磁存儲介質的綜合性表征，MFM測定核與電子的自旋共振并具有亞微米級的解析力，這可能使它成為化學分析的基礎；

電荷傳遞和亥姆霍茲層：掃描電化學SECM

生物分子折疊/識別：納米機械顯微鏡

以前只能停留在總體的平均測定，現在可以更深入的測定生物系統的分子現象。

掃描隧道顯微鏡STM

不過，以上各種儀器只是對STM和AFM的補充和發展。其中STM作為“主角”，意義尤為重大，被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一。甚至有人將STM的發明的當年作為納米科技元年。那么我們不妨具體看一下STM和AFM。

掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope）STM，也稱作掃描穿隧式顯微鏡、隧道掃描顯微鏡。第一臺STM誕生于瑞士的蘇黎世研究所。STM可以讓科學家觀察和定位單個原子，它具有AFM更高的分辨率。STM平行方向的分辨率為0.04nm，垂直方向的分辨率達到0.01nm。此外STM在低溫（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子。因此STM不僅僅是探測工具，更是加工工具。