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掃描隧道顯微鏡

掃描隧道顯微鏡 Scanning Tunneling Microscope 縮寫為STM。它作為一種掃描探針顯微術(shù)工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學(xué)家觀察和定位單個原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。

此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。

1億倍分辨率與再次超越

早在2018年，康奈爾大學(xué)的研究人員制造了一款高性能的STM隧道掃描探測器，與最新算法驅(qū)動的所謂的typchography相結(jié)合，將最先進(jìn)的電子顯微鏡的分辨率提高了三倍，達(dá)到1億倍的放大率創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。

但是盡管取得了這樣的成功，但這種方法有一個弱點。它僅適用于幾個原子厚的超薄樣品。任何較厚的物質(zhì)都會導(dǎo)致電子以無法解開的方式散射而無法成像。

近日，由大衛(wèi)·穆勒（Samuel B. Eckert）的工程學(xué)教授再次領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊利用電子顯微鏡像素陣列檢測器（EMPAD）結(jié)合了更復(fù)雜的3D重建算法，將自己在2018年創(chuàng)造的記錄又提高了兩倍。

成像分辨率是如此精微，剩下的唯一模糊是原子本身的熱抖動！

最新放大一億倍的原子圖像

“這不僅創(chuàng)造了新紀(jì)錄，”穆勒說?！耙呀?jīng)達(dá)到了一種有效地成為分辨率極限的機(jī)制。我們現(xiàn)在基本上可以很容易地弄清楚原子的位置。這為我們想要的事物開辟了許多新的測量可能性它可以解決很長一段時間的問題-消除光束在樣品中的多重散射（Hans Bethe在1928年提出），這是我們過去無法很好解決的問題?！?/p>

氣相色譜法的工作原理是掃描材料樣品中重疊的散射圖案，并尋找重疊區(qū)域中的變化。穆勒說：“我們正在追尋圖案的光點，這很像你的寵物貓對激光筆的光點著迷一樣！” “通過查看圖案的變化，我們能夠計算出引起圖案的物體的形狀?！睓z測器略微散焦，使光束模糊，以捕獲最大范圍的數(shù)據(jù)。然后，通過復(fù)雜的算法重建該數(shù)據(jù)，從而獲得具有皮米（萬億分之一米）精度的超高精度圖像。

“通過這些新算法，我們現(xiàn)在能夠校正顯微鏡的所有模糊，以至于我們剩下的最大模糊因子是原子本身會振動的事實，因為這是原子在絕對零度之上就會發(fā)生的情況”，穆勒說。“當(dāng)我們談?wù)摐囟鹊母叩蜁r，我們實際上是在測量的是原子振動多少的平均強(qiáng)度?！?/p>

左側(cè)的掃描透射電子顯微鏡通過樣品發(fā)射窄束電子，來回掃描以產(chǎn)生圖像。右側(cè)的像素陣列檢測器讀取著陸點，并從該著陸點讀取每個電子的散射角，從而提供有關(guān)樣品原子結(jié)構(gòu)的信息。

研究人員可能通過使用一種由較重的原子組成的材料（其振動較少）或冷卻樣品來再次刷新他們的記錄。但是即使在絕對零度下，原子仍然具有量子漲落，因此改善不會很大。

這種最新形式的電子譜圖分析技術(shù)使科學(xué)家可以在其他三個成像方法中隱藏單個原子的情況下，在所有三個維度上定位單個原子。研究人員還將能夠一次發(fā)現(xiàn)異常結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)原子，并對它們及其振動進(jìn)行成像。這對成像半導(dǎo)體，催化劑和量子材料（包括用于量子計算的那些材料）以及分析將材料連接在一起的邊界處的原子特別有用。

這種成像方法也可以應(yīng)用于厚厚的生物細(xì)胞或組織，甚至可以應(yīng)用于大腦中的突觸連接，穆勒稱之為“按需連接基因組學(xué)”。盡管該方法既耗時又計算量大，但可以使用功能更強(qiáng)大的計算機(jī)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和更快的檢測器來使其效率更高。

“我們希望將其應(yīng)用到我們所做的一切中，”穆勒說，他是康奈爾大學(xué)納米科學(xué)部Kavli研究所的共同負(fù)責(zé)人，并且是康奈爾大學(xué)激進(jìn)協(xié)作計劃的一部分，納米科學(xué)與微系統(tǒng)工程（NEXT Nano）工作組的聯(lián)合主席。“直到現(xiàn)在，我們所有人都一直戴著非常糟糕的眼鏡?，F(xiàn)在我們實際上已經(jīng)擁有了一副非常好的眼鏡。為什么您不想要摘下舊眼鏡，戴上新眼鏡并一直使用呢？ ”

梵觀點：大千世界，一個原子，也是一個世界。

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