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太好了!新型量子点显微镜,能准确测量单个原子的电势!

日期: 2019-06-17
浏览次数: 23

新型量子点显微镜,能显示单个原子的电势!Julich和Magdeburg大学合作的一组研究人员开发了一种新方法,可以在原子准确度上测量样品的电势。使用传统的方法,直到现在几乎不可能定量地记录在单个分子或原子附近发生的电势。这种新型扫描量子点显微镜方法,由德国福尔申斯中心Julich科学家和另外两家机构的合作伙伴在《自然材料》上发表,可能为芯片制造或DNA等生物分子的表征开辟新机会。

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所有物质都由正原子核和负电子组成,它们会产生电势场,即使在很短的距离内,它们也会相互叠加和补偿。传统方法不允许对这些小面积场进行定量测量,这些小面积场在纳米尺度上决定了许多材料的性能和功能。几乎所有能够成像这种电位的现有方法都是基于对电荷引起的力的测量。然而,这些力很难与发生在纳米尺度上的其他力区分开来,这阻碍了定量测量。然而,四年前来自福尔松斯琴中心的科学家们发现了一种基于完全不同原理的方法。

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扫描量子点显微镜是将单个有机分子(量子点)附着在原子力显微镜的顶端,这个分子充当探针。这种分子是如此之小,以至于我们可以用一种可控的方式将原子力显微镜顶端的单个电子附着到分子上。研究人员立即意识到这种方法的前景,并提出了专利申请。然而,实际应用仍有很长的路要走。最初,这只是一个令人惊讶的效果,其适用性有限。现在一切都变了,不仅可以可视化单个原子和分子的电场,还可以精确地量化它们。通过与在卢森堡的合作者进行理论计算的比较,这一点得到了证实。

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此外,可以对样品大面积成像,从而同时显示各种纳米结构,而只需要一个小时就可以得到详细的图像。研究人员花了数年时间研究这种方法,最终得出了一个连贯的理论。这些非常清晰图像的原因是一种效应,使得显微镜的尖端与样品保持相对较大距离,大约2到3纳米——这对于一个普通的原子力显微镜来说是无法想象的。在这种情况下,重要的是要知道,一个样品的所有元素都会产生影响量子点的电场,因此可以被测量。显微镜的尖端就像一个保护罩,可以抑制样品中较远区域的破坏性磁场。

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因此屏蔽电场的影响呈指数下降,量子点只探测到周围的直接区域,因此,分辨率比理想点探测器的分辨率要高得多。Julich的研究人员将测量完整样品表面的速度归功于来自马格德堡奥托·冯·格里克大学的合作伙伴。那里的工程师开发了一个控制器,帮助自动化复杂的、重复的扫描样品顺序。原子力显微镜的工作原理有点像录音机。针尖穿过样品,将表面的完整图像拼接在一起。然而,在以前的扫描量子点显微镜的工作中,必须移动到样品上的一个单独位置。

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测量一个光谱,移动到下一个位置,测量另一个光谱,以此类推,以便将这些测量结果组合成一个单一的图像。通过马格德堡工程师的控制器,现在可以简单地扫描整个表面,就像使用普通原子力显微镜一样。过去一个分子需要5-6个小时,而现在我们可以在一个小时内对含有数百个分子的样本区域进行成像。然而,也有一些缺点,准备度量需要花费大量的时间和精力。作为测量量子点的分子必须事先附着在针尖上,而这只有在低温真空中才有可能。相比之下,普通原子力显微镜也可以在室温下工作,不需要真空或复杂的准备工作。

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然而,太平洋第三研究所所长斯特凡陶茨(Stefan Tautz)教授对此持乐观态度:这不必限制我们的选择,该方法仍然是创新的,对第一个项目感到兴奋,所以可以展示它真正能做什么。量子点显微术有许多应用领域,半导体电子学正在推进一个原子就能改变功能的领域规模边界。静电相互作用在催化剂等其它功能材料中也起着重要作用。生物分子的表征是另一个途径。由于针尖与样品之间距离较大,该方法也适用于粗糙表面,如DNA分子表面,具有其特有的三维结构。

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