新顯微鏡成像技術的物理原理

圖片說明：左圖，模擬的原子力顯微鏡圖像。此方法中，顯微鏡探針掃描單個酞菁鈷（CoPC）分子表面，測量力的梯度，即探針與樣品之間力隨著距離的變化情況；中圖，模擬的掃描隧道顯微鏡圖像。此方法中，顯微鏡探針掃描樣品（同上，CoPC單分子）表面，測量探針與樣品表面產生的隧道電流；右圖，模擬的非彈性電子隧道譜圖像。此方法中，顯微鏡探針掃描樣品（同上，CoPC單分子）表面，測量分子傳感器相對於顯微鏡探針振動頻率的變化。圖片來源：Physical Review Letters

在掃描隧道顯微鏡探針附加小分子或小原子，這樣可以大大提高顯微鏡的分辨率，我們就可以觀察到分子的幾何結構。在過去幾年裡，該方法在科學界廣受矚目。德國於利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）和捷克科學院的研究人員使用計算機模擬，深入研究這些新成像技術背後的物理知識，他們的研究成果發表於Physical Review Letters雜志。於利希研究中心的Tautz教授說：「我們將實驗結果和模擬結果進行了比較，發現它們是一致的，這表明我們的理論模型能很好地解釋新顯微成像技術的原理。這樣的比較對圖像分析也是非常必要的。」

圖片說明：掃描隧道顯微鏡探針（黃色）與探測物表面（灰色）之間的分子（綠色）圖片來源：於利希研究中心

Tautz與於利希研究中心Peter Grünberg Institute（PGI-3）的同事一起，在2008年就開始通過在隧道顯微鏡探針附加單分子增加檢測探針的敏感性，最開始用的是氫分子，後來用的是一氧化碳分子。這一方法也引起了科學界極大興趣，而顯微成像技術也不斷進步。它使得掃描隧道顯微鏡可用作原子力顯微鏡，以超高的精度呈現分子的幾何結構。

 Tautz說：「復雜有機分子的價電荷雲經常會在整個分子周圍擴散，因此掩蓋了其原子結構。」在顯微鏡探針上綁定的分子可用作定制傳感器和信號轉化器，從而觀察原子結構。

過去幾年裡，這樣的原子傳感器在原子力顯微鏡中也很有用。2014年5月，美國加州大學歐文分校的研究人員首次證明傳感器可提高相應成像模式下的信號質量，這一成像模式被稱為非彈性電子隧道譜。在這種情況下，分子傳感器相對於探針的振動會對所掃描樣品的表面勢場變化非常敏感。

「我們的計算結果說明了彈性力對原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）、掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope，STM）和非彈性電子隧道譜（inelastic electron tunneling spectroscopy，IETS）高精度成像的影響。」捷克科學院的Pavel Jelínek教授這樣說道：「我們相信這一實驗結果對非彈性電子隧道譜的應用非常重要。因為，非彈性電子隧道譜讓此技術可用作材料科學中的附加信息獲取源，從圖像中獲得其他的參數。」