光波驅(qū)動(dòng)電子顯微鏡探測(cè)原子大小的石墨烯納米帶

密歇根州立大學(xué)的一組研究人員利用光波驅(qū)動(dòng)的太赫茲掃描隧道顯微鏡和光譜學(xué)在超低高度探測(cè)了 7 個(gè)原子寬的扶手椅石墨烯納米帶 (7-AGNR)。他們?cè)?GNR 邊緣發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)掃描隧道顯微鏡沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的高度局部化的波函數(shù)。

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設(shè)計(jì)先進(jìn)的光電設(shè)備需要開(kāi)發(fā)在納米尺度上運(yùn)行的診斷工具。太赫茲輻射正在成為開(kāi)發(fā)新技術(shù)的重要工具。

為了實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率，太赫茲掃描探針顯微鏡將太赫茲輻射耦合到亞波長(zhǎng)大小的探針。這為精確表征納米結(jié)構(gòu)中的波函數(shù)動(dòng)力學(xué)開(kāi)辟了新的可能性，并預(yù)示著未來(lái)通過(guò)調(diào)制局部電子特性而定制的光電器件是個(gè)好兆頭。

掃描探針顯微鏡快速入門(mén)

自 1981 年兩位 IBM 研究人員發(fā)明掃描隧道顯微鏡以來(lái)，掃描探針顯微鏡通過(guò)揭示納米尺度結(jié)構(gòu)的形態(tài)、形貌和組成，為材料科學(xué)的創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。

掃描探針顯微鏡的種類很多，包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和掃描電化學(xué)顯微鏡。它們比傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡揭示了更多的細(xì)節(jié)，因?yàn)樗鼈?a href="/old_version/books/tech/shiyong.html" title="使用" target="_blank" >使用電子波而不是光波來(lái)“看到”物體。由于電子波長(zhǎng)比光學(xué)波長(zhǎng)小數(shù)十萬(wàn)倍，因此電子顯微鏡可以分辨比光學(xué)顯微鏡小數(shù)十萬(wàn)倍的物體。

在掃描電子顯微鏡中，顯微探針用電子束掃描樣品，從而可以分析散射的電子以形成圖像。

石墨烯納米帶 (GNR) 的研究對(duì)于開(kāi)發(fā)新型納米電子器件至關(guān)重要。石墨烯納米帶是寬度小于 100 nm 的石墨烯條。石墨烯是碳的眾多同素異形體之一——金剛石和石墨是另外兩種眾所周知的碳同素異形體。

在納米尺度上，電子限制效應(yīng)和邊緣結(jié)構(gòu)控制著石墨烯的特性。在 GNR 的鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)中，每個(gè)邊緣段都與前一個(gè)邊緣段成相反的角度。在扶手椅邊緣結(jié)構(gòu)中，每對(duì)線段與前一對(duì)線段呈 120 度旋轉(zhuǎn)角。扶手椅邊緣結(jié)構(gòu)是金屬的或半導(dǎo)體的。之字形邊緣結(jié)構(gòu)始終是金屬的。

光波驅(qū)動(dòng)掃描隧道顯微鏡 (STM) 開(kāi)辟了原子分辨顯微鏡的新維度。極端隧道電流（和其他場(chǎng)）的光波控制產(chǎn)生了超快場(chǎng)，這些場(chǎng)可以在傳統(tǒng)靜態(tài) STM 場(chǎng)無(wú)法進(jìn)入的狀態(tài)下運(yùn)行。

光波驅(qū)動(dòng)掃描隧道顯微鏡

密歇根州立大學(xué)的研究小組在瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和伯爾尼大學(xué)的支持下，使用表面合成從干凈的金 (Au) 基板上的分子前體生長(zhǎng)石墨烯納米帶。他們選擇了具有扶手椅邊緣的 7 個(gè)原子寬的 GNR（7-AGNR）進(jìn)行研究。

研究小組表明，金表面基板上的微分電導(dǎo)對(duì)顯微鏡納米探針的橫向移動(dòng)高度敏感。因此，通過(guò)結(jié)合掃描隧道顯微鏡 (STM) 和光譜學(xué) (STS) 生成微分電導(dǎo)圖，可以揭示樣品的局部電子態(tài)密度 (LDOS) 作為位置和能量的函數(shù)。

太赫茲光譜 (THz-STS) 是作為 GNR 上方三維定位的函數(shù)進(jìn)行的。它使團(tuán)隊(duì)能夠以 ?ngstr?m（10 -10米）水平和亞 ?ngstr?m 垂直分辨率提取由光波驅(qū)動(dòng)隧道顯微鏡采樣的微分電導(dǎo)。他們還引入了光波驅(qū)動(dòng)的掃描隧道斷層掃描，其中恒定高度的 THz-STM 圖像顯示了從 GNR 價(jià)帶中的占據(jù)態(tài)主導(dǎo)的隧道效應(yīng)到導(dǎo)帶中的未占據(jù)態(tài)主導(dǎo)的隧道效應(yīng)的轉(zhuǎn)變。

該團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用空間相關(guān)的 THz-STS 從光波驅(qū)動(dòng)的隧穿過(guò)程中解開(kāi) 7-AGNR 在超低探針尖端高度的內(nèi)在特性。他們將超低尖端高度定義為通過(guò)具有 s 波尖端的傳統(tǒng) STM 進(jìn)行軌道選擇性成像變得不可行的距離，因?yàn)橹绷麟娏鲿?huì)損壞尖端或樣品。

高能位置和寬度受光譜數(shù)據(jù)擬合的限制。使用超快光電發(fā)射采樣來(lái)檢測(cè)探針尖端的太赫茲脈沖輪廓。將此與差分電導(dǎo)數(shù)據(jù)相結(jié)合足以在給定探頭位置再現(xiàn)圖像。

GNR 的光波驅(qū)動(dòng)（太赫茲）掃描隧道顯微鏡、光譜學(xué)和斷層掃描為新型材料的納米級(jí)工程開(kāi)辟了新的機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)和延伸閱讀

Ammerman, SE等人，(2021) 原子級(jí)精確石墨烯納米帶的光波驅(qū)動(dòng)掃描隧道光譜。自然通訊，[在線] 可在：https ://doi.org/10.1038/s41467-021-26656-3