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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(xué)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(jìn)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(xué)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(xì)的尖針，針尖頭部為單個原子去接近樣品表面，當(dāng)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(jìn)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(jìn)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(dāng)電極以及作為浮動電極檢測場效應(yīng)跨導(dǎo)。2013年，加拿大阿爾伯塔大學(xué)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(tuán)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(tuán)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(jìn)一步揭示微納尺度下電子的超快動力學(xué)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(xué)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(xué)、生物醫(yī)學(xué)、超快化學(xué)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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