表面原子结构

从看见原子到移动原子

世界上第一台可以“看见”原子的显微镜是由米勒和巴哈杜尔在1955年发明的场离子显微镜（FIM）。1970年，透射电子显微镜（TEM）的分辨率也第一次达到原子水平。虽然由宾宁与罗雷尔在1981年发明的扫描隧道显微镜（STM）要晚于前面两种技术，但这丝毫不能降低STM的重要作用。STM是一种可以达到原子分辨率的表征物质表面结构的显微技术。另外STM不但可以“看见”原子，而且还可以用来移动表面原子。1990年，来自IBM的科学家应用STM将35个氙原子摆成了“IBM”三个字母，成为科学史上一个重要的里程碑。

在STM基础上发展出的原子力显微镜（AFM）已成为科学家研究物质表面微观形貌不可缺少的工具之一。AFM由IBM公司的科学家于1986年发明，而发明STM的宾宁也是AFM的发明者之一。AFM与STM同属于扫描探针显微镜。 STM依靠探针与样品之间的量子隧道效应检测样品的表面形貌。虽然STM可以实现单个原子成像，但是对于有机分子，STM无法给出分子中所有原子的位置和化学键信息（具体原因可由量子力学给出）。AFM依靠探针与样品之间的相互作用力检测样品的表面形貌。如果探针针尖足够尖锐，理论上AFM可以让我们“看到”分子中所有原子的位置和连接原子的化学键——这是化学家长久以来的一个梦想。2009年这个梦想终于被来自IBM的科学家实现。通过在AFM针尖上固定一个一氧化碳分子，他们成功实现了并五苯分子中所有原子及化学键的成像。此后这项技术发展迅速，2013年来自美国加州大学伯克利分校的科学家用AFM捕捉到单个分子在化学反应前后的分子结构变化。同年，来自中国科学院国家纳米科学中心的科学家用AFM首次观测到分子之间的氢键。相信在不久的将来，STM和AFM将为我们揭示更多关于微观世界的秘密。

上图：用扫描隧道显微镜制备的量子围栏。参考文献：Crommie, M. F. et al. Science 262, 218 (1993)。

扫描隧道显微镜。1981年，宾宁与罗雷尔发明了扫描隧道显微镜（STM），成为在原子尺度研究物质表面现象的重要实验工具。因为STM的发明，宾宁与罗雷尔分享了1986年诺贝尔物理学奖。1983年宾宁和罗雷尔等人用STM研究了当时困扰表面科学家的一个难题——硅（111）表面7×7重构。他们得到的STM图像（左图为示意图）证实了表面晶包中14个吸附原子的存在，为最终解析7×7重构的提供了重要实验依据。【绘图依据：Binnig, G. et al. Phys. Rev. Lett. 50, 120 (1983)】

硅表面重构。从1959年发现的硅（111）表面7×7重构到1985年高柳邦夫等人提出被广泛认可的“二聚体-吸附原子-堆垛层错”（DAS）模型，花费了表面科学家超过25年时间。在DAS模型之前，科学家曾提出过20多个错误的结构模型。宾宁和罗雷尔的STM图像为DAS模型提供了重要的依据。上图是根据高柳邦夫论文构建的7×7重构模型，其中白色表示吸附原子，绿色表示二聚体。晶体被切割后，表面原子因失去了原来与之相邻的原子而处于高能状态。为了降低表面能量，很多晶体的表面原子在切割后会发生重构，生成与晶体内部结构不同的表面结构。【绘图依据：Takayanagi, K. Surf. Sci. 164, 367 (1985)】

世界上最小的电影。STM也可以用来移动物质表面的原子和分子，得到令人难以置信的微观结构。1990年，IBM的科学家用STM将35个氙原子在镍金属表面排列成了“IBM”字样。2014年，IBM的科学家又独出心裁，通过用STM在金属表面移动几千个一氧化碳分子，创作了世界上最小的定格动画电影《男孩和他的原子》（A Boy and His Atom）。上图每一个蓝色圆点表示一个一氧化碳分子，灰色网格表示一氧化碳分子在金属表面可能的吸附位置。每张图都是按照电影的截图绘制。这部电影的负责人海因里希解释说：“如果通过制作这样一部电影，可以让1000个孩子加入科学阵营而不是进入法学院，我将会非常高兴！”另外海因里希的研究组在2012年通过STM实验发现12个原子是磁存储单元的极限。而在目前的电脑硬盘中，每个磁存储单元通常包含上千个原子，说明硬盘的容量仍存在很大的提升空间。【绘图依据：IBM A Boy and His Atom (2014)】

其他主题