原子力显微镜(AFM)用于测量单个原子的电荷

IBM科学家与德国雷根斯堡大学和荷兰乌得勒支大学合作，首次展示了使用非接触原子力显微镜测量单个原子电荷状态的能力。

通过对单个电子电荷精度和纳米横向分辨率的测量，研究人员成功地区分了中性原子和带正电或负电的原子。这是纳米科学的一个里程碑，为探索原子和分子极限下的纳米结构和器件开辟了新的可能性。欧洲杯线上买球这些结果对分子电子学、催化或光伏等领域都有潜在的影响。

据《科学》杂志6月12日报道，欧洲杯线上买球费边莫恩,格哈德•迈耶IBM苏黎世研究实验室的合作与同事在雷根斯堡大学和乌得勒支大学成像和识别不同个体金银原子通过测量之间的微小差异部队原子力显微镜的尖端和带电或不带电原子就在它下面。

为了进行这些实验，研究人员使用了联合扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)，在真空中操作，温度非常低(5开尔文)，以实现这些测量所需的高稳定性。

原子力显微镜的原理是用一个尖头来测量尖头和基片上原子之间的吸引力。在目前的工作设置中，AFM使用qPlus力传感器组成的尖端安装在一个音叉的一端，另一端被固定。这种音叉与普通手表上的音叉一样，是机械驱动的，振幅小至0.02纳米(约为一个原子直径的十分之一)。当AFM探针接近样品时，由于作用在样品和探针之间的力，音叉的共振频率发生了位移。通过在表面上扫描尖端和测量频移的差异，可以得到精确的表面力图。

非常稳定的测量条件对于感知由单个原子的电荷状态转换引起的力的微小差异至关重要。例如，中性金原子的力与带有额外电子的金原子的力之间的差值仅为11皮牛顿，这是在原子上方约半纳米处的最小距离测量得到的。这些实验的测量精度优于1皮牛顿——这等于两个成年人在超过半公里的距离内相互施加的引力。此外，通过测量施加在针尖和样品之间电压的力的变化，科学家们能够区分带正电和带负电的单个原子。

这一突破是原子尺度科学领域的又一重大进展。欧洲杯线上买球与只能用于导电材料的STM相比，AFM与导电性无关，可以用于研究各种材料，最重要的是绝缘体。欧洲杯足球竞彩分子电子学的目标是将分子用作未来计算设备以及单电子设备的功能构件，为了避免电子泄漏，需要一个绝缘衬底。这使得非接触原子力显微镜成为研究方法的选择。

“具有单电子电荷灵敏度的AFM是探索分子复合物电荷转移的强大工具，为我们提供了关键的见解和新的物理学，可能有一天会导致革命性的计算设备和概念，”Gerhard Meyer解释说，他在IBM的苏黎世研究实验室领导着STM和afm相关的研究工作。为了研究分子复合物中的电荷转移，科学家们设想，在未来的实验中，单个原子可以与分子连接，形成金属-分子网络。利用探针给这些原子充电，科学家可以将电子注入系统，并使用非接触原子力显微镜(AFM)直接测量它们的分布(见图2)。

IBM研究员Leo Gross指出了纳米计算之外的其他影响领域:“电荷状态和电荷分布在催化和光转换中是至关重要的。绘制原子尺度上的电荷分布图，可能会让我们深入了解这些领域的基本过程。”

这一成就的一系列重大的科学进步通过IBM科学家近年来建筑,代表了一种基本一步计算元素在分子尺度——计算元素,预计将大大更小、更快、更节能的比今天的处理器和内存设备。

2008年，IBM阿尔马登研究中心的一个团队利用qPlus AFM首次测量了原子在表面移动所需的力，为目前的实验铺平了道路。2007年，Gerhard Meyer在IBM的苏黎世实验室的团队展示了一种单分子开关，它可以在不破坏分子外部结构或形状的情况下完美地运行。2004年，同一组科学家利用STM控制单个原子的电荷状态。通过通过STM尖端诱导电压脉冲，他们成功地用额外的电子给绝缘层上的单个原子充电。重要的是，带负电荷的原子保持稳定，直到通过STM尖端施加一个相反偏压的电压脉冲。这是科学家们在目前的实验中使用的给单个原子充电的方法。