首臺(tái)太赫茲掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)成功研制為我國(guó)科學(xué)研究不斷助力

2022-02-28 14:06:50來(lái)源：儀器網(wǎng)關(guān)鍵詞：THz-STM系統(tǒng)閱讀量：3028

導(dǎo)讀：近日，中國(guó)科學(xué)院空天信息研究院（廣州園區(qū)）-廣東大灣區(qū)空天信息研究院成功研制出太赫茲掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于原子級(jí)（埃級(jí)）的空間分辨率和優(yōu)于500飛秒的時(shí)間分辨率，成為國(guó)內(nèi)首套自主研制的太赫茲掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)。

　　【儀器網(wǎng) 科技成果】如果說(shuō)費(fèi)曼的“納米”觀念為構(gòu)建微觀世界做出了概念設(shè)計(jì)的話，那么掃描隧道顯微鏡(STM)的發(fā)明則是為實(shí)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(gè)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(guò)原子尺度的針尖，在不到一個(gè)納米的高度上，對(duì)不同樣品進(jìn)行超高精度掃描成像。STM主要用來(lái)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(shí)現(xiàn)對(duì)表面的納米加工，如直接操縱原子或分子，完成對(duì)表面的刻蝕、修飾以及直接書(shū)寫(xiě)等。

　　近日，中國(guó)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了優(yōu)于原子級(jí)(埃級(jí))的空間分辨率和優(yōu)于500飛秒的時(shí)間分辨率，成為國(guó)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(gè)極細(xì)的尖針，針尖頭部為單個(gè)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(shí)，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(shí)若在針尖和樣品之間加上一個(gè)偏壓，電子便會(huì)穿過(guò)針尖和樣品之間的勢(shì)壘而形成納安級(jí)10A的隧道電流。通過(guò)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(dòng)，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(lái)。

　　利用這些多探針裝置，可以對(duì)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(dòng)電極檢測(cè)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了亞皮秒時(shí)間分辨和納米空間分辨，隨后德國(guó)、美國(guó)等科研團(tuán)隊(duì)紛紛開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究。

　　大灣區(qū)研究院太赫茲研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)近12個(gè)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(guó)內(nèi)首臺(tái)太赫茲掃描隧道顯微鏡(THz-STM)。該顯微鏡具有埃級(jí)空間分辨率和亞皮秒時(shí)間分辨率(提升100萬(wàn)倍以上)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高時(shí)間和空間分辨下的精密檢測(cè)(飛秒-埃級(jí))，為進(jìn)一步揭示微納尺度下電子的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段，同時(shí)對(duì)于開(kāi)發(fā)新型硅納米電子學(xué)和以太赫茲頻率工作的原子級(jí)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(guó)際影響力的原創(chuàng)性科研成果。

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