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单原子分子测控

单原子分子测控. 徐春凯 中国科学技术大学近代物理系. 如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会出现什么样的奇迹？ … 这些物质将有什么性质？ 这是十分有趣的物理问题。虽然我不能精确地回答它，但我绝不怀疑当我们能在如此小尺寸上进行操纵时，将得到具有大量独特性质的物质。 －－费曼 1959 年 12 月，美国物理年会. 单原子分子测控的内容. 成像 “看到”单个的原子分子 识别 识别所“看到”的是何种原子分子 操纵 对单原子分子的捕获、移动及转动操作 组合分解 将不同的单个粒子重新排列组合以形成新的分子或器件，或者将单分子分解为多个粒子.

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单原子分子测控

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  1. 单原子分子测控 徐春凯 中国科学技术大学近代物理系

  2. 如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会出现什么样的奇迹？…这些物质将有什么性质？ 这是十分有趣的物理问题。虽然我不能精确地回答它，但我绝不怀疑当我们能在如此小尺寸上进行操纵时，将得到具有大量独特性质的物质。 －－费曼 1959年12月，美国物理年会

  3. 单原子分子测控的内容 • 成像 • “看到”单个的原子分子 • 识别 • 识别所“看到”的是何种原子分子 • 操纵 • 对单原子分子的捕获、移动及转动操作 • 组合分解 • 将不同的单个粒子重新排列组合以形成新的分子或器件，或者将单分子分解为多个粒子

  4. 单原子分子成像 • 微观成像技术的发展 • 人眼的空间分辨～0.1mm • 光学显微镜～/2 • 对可见光，空间分辨～0.2m • X射线晶格衍射测量晶体结构 • 电子显微镜（透射电镜，TEM） • 电子波长：50keV电子波长0.00536nm • 1933年，鲁斯卡(N.Ruska)首先研制成功 • 空间分辨～0.2nm

  5. 单原子分子成像 • 场电子显微镜（FEM）与场离子显微镜（FIM） • 原理 利用了电荷在导体表面分布与曲率半径的关系 场发射 场电离

  6. E.W.Muller，W针尖的He离子FIM像 单原子分子成像 • 1937年，E.W.Muller发明场电子显微镜 • 1951年，E.W.Muller研究成功场离子显微镜

  7. 单原子分子成像 • 扫描电镜（SEM）与扫描透射电镜（STEM） • 原理 利用电子束与样品作用产生的次级电子成像 • 空间分辨取决于电子束的束斑大小 • 使用了场发射针尖的STEM，空间分辨～0.2nm • 具有元素分析功能

  8. David Scharf，鸡蛋壳扫描电镜像

  9. 单原子分子成像 • 扫描隧道显微镜（STM） • 1981年，G.Binnig与H.Rohrer发明了STM • 工作原理 利用了量子力学中的隧道效应。

  10. 三种常见的三维扫描控制器 单原子分子成像 • 基本构造 • 探针与样品 • 三维扫描控制器 压电陶瓷 • 样品粗逼近控制 • 减震系统 • 电子学系统

  11. 单原子分子成像 • 工作模式 • 恒高模式 • 恒流模式

  12. 单原子分子成像 • 空间分辨 横向分辨～0.1nm，纵向分辨～0.01nm。 电解液中硫酸根离子吸附在铜单晶（111）表面的STM图象 Si（111）7×7原子重构像

  13. 几种显微技术的空间分辨率比较

  14. 单原子分子成像 • 扫描探针显微镜（SPM）家族 • 随着STM的发明，发展出一系列的由微悬臂及探针、压电扫描器和计算机控制与数据采集系统构成的扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope）。 • SPM家族主要有：扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜（EFM）、摩擦力显微镜（LFM）、化学力显微镜（CFM）和扫描近场光学显微镜（SNOM）与扫描近场微波显微镜（SNMM）。 • SPM家族可大致分类为扫描隧道显微镜（STM）、扫描力显微镜（SFM）和扫描近场光学显微镜（SNOM）

  15. 单原子分子成像 • 扫描隧道显微镜（STM） • 实时实空间成像 • 表面电子态密度 • 扫描力显微镜（SFM） • 利用针尖与样品表面的作用力来控制反馈回路进行扫描。 • 原子力显微镜（AFM）、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜（EFM）、摩擦力显微镜（LFM）、化学力显微镜（CFM）等。

  16. (a)石墨(b)二硫化钼和(c)氮化硼的原子级分辨率AFM像 单原子分子成像 • 根据各种力的不同，SFM可以用来探测表面的一些特殊性质，如磁力显微镜（MFM）可以观察到材料表面的磁结构。 • 空间分辨 几十nm～单原子级 AFM空间分辨最高

  17. 单原子分子成像 • 扫描近场光学显微镜（SNOM） • 工作原理 以一个孔阑限制的光纤作针尖，针尖顶部的透光孔直径小于光的波长。用这个针尖去探测样品附近的光辐射，辐射的强度反应了样品表面的光学性质（它在一定程度上反映了表面形貌）。如果针尖与样品的距离很近（近场范围），则仪器的空间分辨率不是取决于辐射光的波长，而是由针尖顶的透光孔径与针尖-样品的间距来决定。

  18. 单原子分子成像 • 典型光路

  19. 散布在聚合物薄膜上的恶嗪720分子的近场荧光像散布在聚合物薄膜上的恶嗪720分子的近场荧光像 扫描范围4.5m4.5m 单原子分子成像 • 工作模式 恒高度模式、恒强度模式 • 分辨率～10nm

  20. 单原子分子操纵 • 概述 单原子分子操纵是指将原子分子作为一个整体进 行操作，而不涉及分子的拆分组合。单原子分子的 操纵一般包括四部分：提取、放置、移动和转动。 进行单原子分子操纵的前提是要能“捕获”到单个 的原子分子，扫描探针显微镜在这方面体现出特有 的优势。此外，利用光学方法也能够做到对单个原 子分子的操纵。

  21. 单原子分子操纵 • 用STM操纵单原子分子 • STM主要是利用其针尖与目标原子分子的相互作用以及偏压在针尖和样品间产生的强电场来进行原子分子操纵的。通过在针尖-样品间加脉冲电压，可以对吸附在样品表面的原子分子或样品表面内的原子进行各种操纵。对脉冲幅度和宽度的调节，加上STM优秀的定位能力，使得这种操纵非常精确。人类对单原子的第一次操纵，就是在STM上实现的。

  22. 单原子分子操纵 • 1990年，D.M.Eigler组，用STM移动Ni（110）表面上的35个Xe原子，组成IBM三个字母。

  23. 单原子分子操纵 • 1993年，Eigler组，量子围栏。 将48个吸附在Cu（111）表面上的铁原子移动形成空心围拦，半径7.13nm。

  24. 单原子分子操纵 • 1994年，黄德欢组，单原子表面缺陷修复。 将吸附有Si原子的STM针尖置于Si（111）77表面上的Si单原子缺陷（图a中以三角形标出）上方，然后用加脉冲电压的方法将Si原子放入缺陷内，实现表面单原子缺陷的修复。

  25. 单原子分子操纵 • 1994年，黄德欢组，单原子链。 STM针尖沿着Si（111） 77表面上单胞洞的方向有 序并连续地移走单个Si原子， 从而加工出两条相隔一个原 子的单原子槽。随后，这两 条单原子槽之间的Si原子自 动重新组合，构成一条间隔 均匀的直线单原子链

  26. 单原子分子操纵 • 1992年， Eigler组，操纵CO单分子组成的人形结构。

  27. 单原子分子操纵 • 1997年，Jung等，操纵吸附在Cu（100）表面的6个Cu-TDBPP分子，使它们从平行的两排变为围成六角形。

  28. 单原子分子操纵 • 1998年，W.Ho组，单分子旋转。 用STM对吸附在Pt（111） 面上的一个氧分子（右边的） 加脉冲，使其发生旋转。 而没有加脉冲的另一个氧 分子（左边的）则保持原来 的取向不变。

  29. 单原子分子操纵 • 用光学方法操纵 • 由于衍射极限的限制，激光无法聚焦到原子级水平，这就限制了光学方法的空间分辨率。因此，在用光学方法进行单原子分子操纵时，首先要将被操纵的原子分子孤立起来，例如囚禁在冷阱或光腔中的单原子分子。 • 利用光镊操纵单个生物大分子。 • 利用失谐速势波操纵单原子。

  30. Haruhiko Ito等利用蓝失谐的速逝波使单原子在中空的光纤内被传送。

  31. 单原子分子的组合分解 • 单原子分子的组合 • 利用STM操纵两个或两个以上的单原子（分子），使它们之间成键，生成新的分子。 • 单分子成键反应提供了有关化学键自然属性的实空间图像，可以通过它直接观察单分子在固体表面的行为及其内部和外部的能量转移。 • 结合非弹性隧道谱（IETS），能够得到更为丰富的有关化学键的信息（例如化学键的振动谱），对于化学键的能量研究、新键的生成以及鉴定识别有着重要意义。

  32. 单原子分子的组合分解 • 1999年，W.Ho组在13K温度下利用STM操纵吸附在Ag（110）表面上的CO分子和Fe原子，使之发生单分子成键反应

  33. 单原子分子的组合分解 • 单分子的拆分 • 利用AFM切割DNA分子 田芳等，用AFM针尖剪切开环线形pBR322质粒DNA分子

  34. 单原子分子的组合分解 • 单分子选键化学 • 选键化学是指有选择地对分子的某个键进行操作，使之断裂或激活，以便按照人们的愿望来加工分子，即所谓的“分子手术” 。 • 传统的选键化学是找到分子中的单键振动本征态（称为局阈模振动态），从而使能量集中到这个态上，以实现分子加工。 • 随着单原子分子测控技术上的发展，使得进行单分子选键化学成为可能。STM的原子级空间分辨可以使STM针尖对分子的作用局域到一个原子上，进而实现单分子内的选键加工。

  35. 单原子分子的组合分解 • 2005年，侯建国组利用STM加脉冲电压的方法将吸附于Au（111）面上的单个CoPc分子逐步脱氢。

  36. 单原子分子级器件 • 概述 • 将不同的单个原子分子重新排列组合，就有可能构造出新的分子或我们所希望的新的纳米级乃至原子级的功能器件。 • 利用单原子操纵来制造原子级器件的最早尝试是1991年Eigler组用STM制作的单原子开关。 • 1993年Eigler组制作的量子围栏是第一个具有实际功能的真正原子级器件。

  37. 单原子分子级器件 • 单原子（离子）原子钟 • 原子钟：将原子由于能级跃迁所发出光的波长（或频率）作为计量单位的装置。 • 在1960年第十一届国际计量会议上，将原子钟作为长度的计量标准。1967年第十三届国际计量会议上，又决定采用原子钟作为时间标准。 • 在随后的30年间，对频率标准的测量精度以每十年提高一个数量级的速度递增。但是，如果要进一步提高对频率标准测量的稳定性和精度，就必须排除外界影响，尽量在无干扰的状态下测量。

  38. 单原子分子级器件 • 绝对真空和无场环境下的单原子（离子）满足这种理想状态，这即是单原子（离子）原子钟。 • 1995年，Fisk实验组在低温下（<1K）对囚禁在线性Paul阱中的单个镱离子进行了测量，测得的频率为：12,642,812,118.4680.0016 Hz • 精度（1.310-13）虽然比目前精度最高的铯钟（210-14）差了将近一个数量级，但已经超过了氢钟（710-13），这使得用激光冷却的单镱离子作为时间标准成为可能。

  39. 单原子分子级器件 • 超高密度数据存储材料 • 信息存储器件是电子学中的重要器件之一。随着纳米技术和单原子操纵技术的发展，信息存储器件的存储密度越来越高。一般而言，存储密度达到1010bit/cm2以上时，称为超高密度信息存储。 • 信息存储所能达到的密度，与存储点的直径大小有关。

  40. 单原子分子级器件 • 1991年，Barrett等在N-O-Si材料上得到尺寸75nm的存储点。 • 1993年，Bard等在光导材料ZnODEP上写入入尺寸为40nm的记录点。同年日本NEC公司的一个研究小组在NaxV2O5薄膜上作出的最小记录点为10nm。 • 1997年，Princeton大学的研究小组在硅基底上形成的有机聚合物薄膜的孔中用沉积金颗粒的方法做出了最小单元为10nm的信息点阵。

  41. 单原子分子级器件 • 1998年，庞世瑾组在m-NBMN和DAB薄膜上得到的直径为1.3nm的 信息存储点的简单点阵， 存储密度1013bit/cm2。 从存储点的尺寸来看， 已达到原子级水平。

  42. 单原子分子级器件 • 分子转子 • 1998年Gimzewski组利用Cu（100）表面的六-叔丁基-十环烯分子（HB-DC）实现了分子转子。 • 分子转子是一种几乎无摩擦、无磨损及无惯量的装置，并且利用热噪声驱动，接近热力学第二定律极限。

  43. 单原子分子级器件 • 分子转子的STM图及理论计算模型

  44. 单原子分子级器件 • 单分子电子学器件 • 微观技术的发展使电子学器件的尺寸越来越小，现在正在由微电子学向纳米电子学发展。而单原子分子测控技术的出现又进一步将电子学推向分子水平。 • 能级结构的单原子分子与能带结构的块状导体相比，具有一些独特的电子学特性。 • 目前已经能够利用C纳米管C60分子构成一些分子电子学器件。

  45. 单原子分子级器件 C60单分子电压放大器示意图

  46. 单原子分子级器件 • 量子计算机 • 量子计算机是近年来发展起来的一门新兴学科，其基础是量子位和量子逻辑门。 • 由于量子计算机是利用量子效应进行运算，其操纵对象主要是能体现量子效应的单原子（离子）分子或光子。 • 在目前已实现的量子位和量子逻辑门中，大部分都是基于单原子（离子）分子的，属于单原子分子器件。

  47. 单原子分子级器件 1995年，C.Monroe等利用束缚在冷阱中的单个9Be+离子实现的基本量子逻辑门—“控制非门” 的真值表

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