研究背景
當(dāng)我們在高中數(shù)學(xué)中第一次接觸物質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，原子的知識是非常重要的一部分。 相信你對下面這張圖很熟悉。
三十一年前的 1989 年 9 月 28 日分子熱運(yùn)動實(shí)驗(yàn)報(bào)告，IBM 阿爾馬登研究中心的科學(xué)家馬克教授成為歷史上控制和通信單個(gè)原子的第一人。 11月11日，他和團(tuán)隊(duì)用自制顯微鏡操縱35個(gè)氙原子，拼出了“I、B、M”三個(gè)字母，從而開啟了納米科學(xué)和納米技術(shù)的新時(shí)代。
為了可視化和測試單個(gè)分子和原子，我們設(shè)計(jì)并制造了高溫、超高真空掃描隧道顯微鏡（STM）。 他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，利用STM探針移動單個(gè)原子是可能的。 IBM的三個(gè)字母由35個(gè)氙原子組成，旨在展示所達(dá)到的原子級精度和可重復(fù)性。 杰克曾在他的專著中將這一舉動稱為萊特兄弟人類歷史上的首次飛行。
IBM研究中心科技部總工程師、IBM教授T.CChen評價(jià)道：“直到今天，Don的成就仍然是納米科技史上最重要的突破之一。當(dāng)時(shí)，一切都在發(fā)生。”似乎是那么遙遠(yuǎn)，就像一部懸疑小說。而現(xiàn)在，兩六年后，那可能是一個(gè)決定性的時(shí)刻，而它催生的研究最終將帶領(lǐng)我們趕上CMOS和摩爾定理，讓我們使用更多它可以用更少的能源處理世界各地的大量數(shù)據(jù)。”
這里簡單介紹一下掃描隧道顯微鏡（STM）。 當(dāng)原子級針尖在小于一納米的高度掃描樣品時(shí)，電子云在此重疊，并施加電流（2mV~2V），在針尖和樣品之間形成隧道。 電子由于該效應(yīng)而逃逸，并產(chǎn)生隧道電壓。 電壓硬度與針尖與樣品之間的距離呈函數(shù)關(guān)系。 當(dāng)探頭沿給定高度的材料表面掃描時(shí)，由于樣品表面原子的不均勻性，探頭與材料表面的距離不斷變化，從而產(chǎn)生恒定的電壓。 變化發(fā)生了。 對這些電壓變化進(jìn)行成像可以揭示原子水平上的凹凸和凹凸。 STM使人類首次能夠?qū)崟r(shí)觀察物質(zhì)表面單個(gè)原子的排列狀態(tài)以及與表面電子行為相關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)。 在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中具有重要意義和廣泛應(yīng)用。 其應(yīng)用前景被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成果之一。
我們知道分子熱運(yùn)動實(shí)驗(yàn)報(bào)告，分子是由原子按照一定的鍵合順序和空間排列組合而成的整體。 這些鍵合順序和空間排列稱為分子結(jié)構(gòu)。 問題來了，既然人類可以控制原子的連接，那控制單個(gè)分子的通訊的能力又如何呢？ 問題并不簡單。
表面上原子和分子的熱誘導(dǎo)擴(kuò)散通常是一個(gè)隨機(jī)過程，由原子表面晶格上不相關(guān)的跳躍組成； 這是首次通過場離子顯微鏡觀察到的。 分子在表面上的熱運(yùn)動主要是通過擴(kuò)散到相鄰的晶格位置，但也預(yù)計(jì)會有更大的位移。 事實(shí)上，分子在表面上表現(xiàn)出四個(gè)晶格常數(shù)的均方位移，隨著分子與表面相互作用的減少，該位移減少到七個(gè)。 原子尺度的運(yùn)動遵循隨機(jī)過程，對分子運(yùn)動的空間控制是有限的。
但是明天，經(jīng)過幾六年的不斷努力探索，人類第一次實(shí)現(xiàn)了單個(gè)分子的連接，我們上去看看吧。
研究成果
英國格拉茨學(xué)院格里爾院士的研究小組使用掃描隧道顯微鏡將單個(gè)分子帶入具有高平移遷移率的穩(wěn)定方向，使它們能夠沿著精確定義的軌跡進(jìn)行通信。 單個(gè) DBTF( ) 分子在銀 (111) 晶面上通信距離超過 150 nm，并以 0.1 埃的極高空間精度進(jìn)行長距離通信。 這些效應(yīng)的靜電性質(zhì)使得可以選擇性地施加敵對力和吸引力來發(fā)送或接收單個(gè)分子。 高度的控制使得兩個(gè)單獨(dú)的探針之間的單個(gè)和特定的分子實(shí)體能夠精確關(guān)聯(lián)。 相關(guān)研究工作以“-ofona”為題發(fā)表在國際頂級期刊《》上。
圖形快車
圖 1. Ag(111) 上的 DBTF 分子
圖2.單個(gè)分子的長程位移
在沒有熱運(yùn)動的情況下，可以使用掃描隧道顯微鏡 (STM) 尖端誘導(dǎo)分子位移。 單分子可以在表面上可控地通信，通常從一個(gè)晶格位置跳躍到下一個(gè)晶格位置。 Ag(111)上的六羰基分子已經(jīng)達(dá)到了較長的距離，超出了操縱路徑，該分子最初被STM尖端拖到表面上，然后在尖端縮回后繼續(xù)通信。 碎片被加速到約 5nm，由鍵解離產(chǎn)生的多余能量以類似于“熱”原子的方式驅(qū)動，并在解離物理吸附下進(jìn)一步轉(zhuǎn)變。
當(dāng)分子沿著緊密排列的原子精確排列時(shí)（在同一區(qū)域的后續(xù)圖像中顯示為光滑的白色），這種白色被分配給掃描期間粘附在 STM 尖端的分子。 它們在一個(gè)方向上高度連接，但在另一個(gè)方向上在空間上局限于一排原子。 為此，每當(dāng)尖端穿過該行時(shí)，它們都會反射仍然位于尖端下方的分子，從而在圖像中產(chǎn)生明亮的外觀。 無論掃描方向如何，這種白色都保持在表面上的相同位置。 該分子在這種狀態(tài)下很容易平移，并且不會旋轉(zhuǎn)回其穩(wěn)定方向，這表明與一維平移的阻力非常低相比，旋轉(zhuǎn)存在很大的障礙。
圖3 有吸引力和敵意的目光
圖4 單分子的發(fā)送-接收實(shí)驗(yàn)
如圖2所示，可以以大約0.1 ?的極高縱向精度（即STM的縱向碼率）在長距離上誘導(dǎo)分子運(yùn)動。 作者研究了是否可以使用單個(gè)分子來實(shí)現(xiàn)發(fā)送-接收實(shí)驗(yàn)，其中分子在多探針 STM 的兩個(gè)尖端之間轉(zhuǎn)移（圖 4A），但在同一 Ag(111) 表面上使用兩個(gè)單獨(dú)的掃描儀。 提高論證量。 首先，將兩個(gè)鋒利的尖端靠近在一起（圖4B），并且每個(gè)尖端在同一掃描區(qū)域上順序成像以識別它們的相對位置。 然后，選擇該大概覽圖像（圖 4C）上的兩個(gè)小區(qū)域用于每個(gè)比特尖端（發(fā)送和接收）的獨(dú)立成像。 值得注意的是，相距約 60 nm 的尖端同時(shí)掃描，互不影響。 指示區(qū)域（成像不受其他提示的影響）。
推論與展望
經(jīng)過30多年的努力，人類終于成功實(shí)現(xiàn)了對單個(gè)分子的控制。 從單個(gè)原子到單個(gè)分子是一個(gè)里程碑式的進(jìn)步，意義重大。 相信學(xué)校數(shù)學(xué)教材會再次減少新的內(nèi)容。 這些發(fā)現(xiàn)揭示了單分子雖然在一維上很容易傳播，但如何通過掃描探針顯微鏡進(jìn)行追蹤。 使用更快的電子控制可以提高STM時(shí)間幀速率，從而允許檢測不同表面上各種類型分子的絕對速度，以及分子運(yùn)動與物理和結(jié)構(gòu)特征的直接關(guān)聯(lián)。 此類實(shí)驗(yàn)不僅應(yīng)確定精確的空間位置，還應(yīng)確定動量和動能，從而為檢測擴(kuò)散過程中或單分子與其他吸附物碰撞后的能量耗散鋪平道路。 據(jù)悉，該實(shí)驗(yàn)允許特定分子實(shí)體及其編碼的信息在精確定義的位置之間轉(zhuǎn)移。