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新技术使原子级显微镜速度提高100倍

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文章出处:互联网 [2007/11/7 ]
责任编辑:上仪集团新闻中心
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physorg网站2007111日报道,以一种新方法利用现有技术,康奈尔大学物理学家基思·斯瓦伯和他的康奈尔大学及波士顿大学同事共同制造出了扫描隧道显微镜(STM),可以拍摄表面单个原子图像,速度至少比现有显微镜的速度快100倍。利用现在纳米电子学的一种测量方法,仅仅做一些小小的改动就可以使扫描隧道显微镜具备重要的新功能,这些功能包括感应单个原子大小点温度的能力。

  《自然》杂志111日版中刊登的论文对此研究进行了阐述。扫描隧道显微镜可以使用量子穿越隧道或电子通过隧道穿越障碍的能力,测量针型探测器和一个传导表面之间的距离。研究人员在样品上施加了一个微小电压,移动探测器(一个简单的铂铱线缠绕在一个仅有一个原子宽度的末端点上)至距离样品表面上方仅几埃(1纳米等于10埃)的位置。通过测量样品和探测器之间电子隧道之间电流的变化情况,他们能够在原子级上重建一幅表面拓扑图。

  自二十世纪八十年代扫描隧道显微镜问世以来,它在半导体和纳米电子学等领域取得了重大研究发现成果。但是电流可以在一纳秒内发生变化,因此使用扫描隧道显微镜进行测量速度非常慢。导致速度慢的原因不在于信号本身,而在于与分析这些信号相关的基础电子学。一个理想的扫描隧道显微镜收集数据的速度可以与电子穿越隧道的保持速度一样快,速率达到一千兆赫,或带宽达到每秒10亿次循环。但是一个典型的扫描隧道显微镜却受读取电路电缆容量或能量储存的限制,速度特别慢,大约为1千赫(每秒1,000次循环)或甚至更少。

  研究人员尝试了各种各样复杂的矫正手段。但是斯瓦伯称,最后康奈尔大学的一名副教授发明了一个极其简单的解决办法。通过增加一个额外的射频波源,通过一个简单的网络将一个波送入扫描隧道显微镜中,研究人员发现他们能够利用波向波源反射的特性,探测到隧道结(探测器和样品表面之间的距离)的电阻。该技术称之为反射计技术,使用标准电缆作为高频波通道,速度不会受电缆容量限制减慢。

  斯瓦伯称,频率基础性限制和操作员工作的地点之间分为6个数量级。通过使用射频,可以将速度增加1001000倍。我们希望我们能够或多或少拍摄出一些视频图象,扫描无需花费太多时间。

  该技术同样具有制造原子级温度表(对表面内所有特定原子进行精确温度测量)的应用前景,可在比原子小30,000倍的距离内进行运动测量。斯瓦伯说,新扫描隧道显微镜将应用于很多物理实验。一旦你开启这一新参数之门,人们将找到应用他们的途径。我坚定地相信10年之后,我们身边将会有大量的射频扫描隧道显微镜,人们可以利用他们来做各种各样的伟大实验。

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