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儀器網(wǎng) 科技成果】如果說費曼的“納米”觀念為構(gòu)建微觀世界做出了概念設(shè)計的話，那么
掃描隧道顯微鏡(STM)的發(fā)明則是為實現(xiàn)這一微觀世界邁出了至關(guān)重要的一步。
STM一種用于觀察和定位單個原子的掃描探針顯微工具，其基本原理是基于量子力學的隧道效應(yīng)和三維掃描，通過原子尺度的針尖，在不到一個納米的高度上，對不同
樣品進行超高精度掃描成像。STM主要用來描繪表面三維的原子結(jié)構(gòu)圖，在納米尺度上研究物質(zhì)的特性，利用掃描隧道顯微鏡還可以實現(xiàn)對表面的納米加工，如直接操縱原子或分子，完成對表面的刻蝕、修飾以及直接書寫等。
近日，中國科學院空天信息研究院(廣州園區(qū))-廣東大灣區(qū)空天信息研究院(以下簡稱“大灣區(qū)研究院”)成功研制出太赫茲掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)，實現(xiàn)了優(yōu)于原子級(埃級)的空間分辨率和優(yōu)于500飛秒的時間分辨率，成為國內(nèi)首套自主研制的太赫茲掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)。
THz-STM系統(tǒng)
STM是用一個極細的尖針，針尖頭部為單個原子去接近樣品表面，當針尖和樣品表面靠得很近，即小于1納米時，針尖頭部的原子和樣品表面原子的
電子云發(fā)生重疊。此時若在針尖和樣品之間加上一個偏壓，電子便會穿過針尖和樣品之間的勢壘而形成納安級10A的隧道電流。通過控制針尖與樣品表面間距的恒定，并使針尖沿表面進行精確的三維移動，就可將表面形貌和表面電子態(tài)等有關(guān)表面信息記錄下來。
利用這些多探針裝置，可以對樣品進行多模式的表征，這些模式包括隧道模式成像電子能態(tài)密度、在接觸模式中充當電極以及作為浮動電極檢測場效應(yīng)跨導。2013年，加拿大阿爾伯塔大學教授Frank Hegmann，首次將太赫茲脈沖和STM結(jié)合，實現(xiàn)了亞皮秒時間分辨和納米空間分辨，隨后德國、美國等科研團隊紛紛開展相關(guān)技術(shù)研究。
大灣區(qū)研究院太赫茲研究團隊歷時近12個月，突破了太赫茲與掃描隧道針尖耦合、太赫茲脈沖相位調(diào)制等核心關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出國內(nèi)首臺太赫茲掃描隧道顯微鏡(THz-STM)。該顯微鏡具有埃級空間分辨率和亞皮秒時間分辨率(提升100萬倍以上)，可同時實現(xiàn)高時間和空間分辨下的精密檢測(飛秒-埃級)，為進一步揭示微納尺度下電子的超快動力學過程提供了強有力的技術(shù)手段，同時對于開發(fā)新型硅納米電子學和以太赫茲頻率工作的原子級器件是至關(guān)重要的。THz-STM可用于新型量子材料、微納光電子學、生物醫(yī)學、超快化學等領(lǐng)域，有望取得具有重要國際影響力的原創(chuàng)性科研成果。
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