加顆氫分子看得更清晰
- 上線日期：2010/9/30 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
在掃描式穿隧顯微鏡(scanning tunneling microscope, STM)下，分子通常呈一團團模糊的影像，不過德國科學家最近發現，將一個氫或氘(deuterium)分子附著在探針尖端就能大幅改善影像的解析度。
STM的工作原理是讓導電探針在樣品上方約1 nm處掃描，同時在探針上施加偏壓使電子由探針穿隧通過針尖與樣品間的STM接面(junction)，測量各位置的導電性就可以製作出影像。導電性受許多因素影響，其中包括針尖與表面的電子能態密度(density of states)，亦即單位能量內允許存在的量子態數目。樣品表面的能態越多，導電性越高，該位置的影像就越明亮。
稍早Julich研究中心的Ruslan Temirov等人以氫覆蓋STM針尖，然後掃描金屬基板上的有機分子薄膜，得到的影像中亮區代表原子，亮區邊緣則對應到原子間的鍵結，不過當時他們並不清楚掃描的對象是什麼。最近他們採用氫的同位素氘捲土重來，掃描了金基板表面的有機分子PTCDA，得到與先前相同的影像，而測得的導電率顯示該影像是探針尖吸附了一個氘分子的傑作。
通常STM接面的導電性會隨著針間趨近表面而呈指數增加，不過對於Temirov等人的掃描式穿隧氫顯微鏡(scanning tunneling hydrogen microscope, STHM)而言，當針尖與表面相距約1Å時，導電性不僅增加得相當慢，有時還會降低，但就是在這個範圍內能取得高解析度的影像。
研究人員認為這些效應是電子間因包立不相容原理(Pauli exclusion principle)而相斥的結果，該原理是指電子不能在相同空間中佔據同一能態。隨著針尖靠近樣品，氘分子的電子受表面排斥而軌域逐漸與針尖電子重疊，針尖的電子態重新分佈而導致導電性產生變化。
Temirov指出，在傳統STM中，樣品內能被偵測的能態取決於外加電壓，因此只能偵測一定數量的電子態，而在STHM中，由於包立原理會影響所有能態，因此能提供較完整的圖像。詳見Phys. Rev. Lett. 105, 086103 (2010)。
原始網站: http://focus.aps.org/story/v26/st8
譯者:蔡雅芝(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
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