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江颖教授等在《自然·综述·方法导论》发表扫描探针显微术领域综述论文
发布日期:2021-05-21浏览次数:

近日,应《自然·综述·方法导论》邀请,北京大学物理学院量子材料科学中心、轻元素先进材料研究中心江颖教授联合瑞士巴塞尔大学Christoph Gerber教授(原子力显微镜发明者之一)、 韩国基础科学研究院量子纳米科学中心主任Andreas Heinrich教授、瑞士苏黎世联邦理工大学Daniel Müller教授和美国康奈尔大学威尔康奈尔医学院Simon Scheuring教授等多位扫描探针显微术领域国际知名学者,共同撰写了题为“扫描探针显微术”(Scanning probe microscopy)的综述文章(Nature Reviews Methods Primers 1, 36 (2021));物理学院量子材料科学中心博士后边珂为第一作者,江颖为通讯作者。编辑同期配发了PrimeView推介。

扫描探针显微镜(SPM)是纳米科技领域最伟大的发明之一;利用其尖锐的针尖逐点扫描样品,可在原子/分子/纳米尺度上获取表面的形貌和丰富的物性。SPM主要包括扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscopy, STM,1986年度诺贝尔物理学奖)和原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM,2016年度科维理奖),通常以针尖获取的微弱电流和力信号作为反馈进行扫描成像,固定针尖位置则可以获得扫描隧道谱和各类丰富的力谱。此外,通过施加局域的电压脉冲和作用力,针尖还可以实现对单个原子/分子和化学键的精准操纵。针尖通常采用物理剪切和电化学腐蚀法制备,而更精细的功能化针尖需利用单个原子或分子进行修饰。为了拓展SPM的探测自由度,以获取光子、电场、磁场、应力、温度等信息,科学家还发展出一系列SPM的变型系统。

自诞生以来,SPM已被广泛应用于物理学、化学、材料科学和生物学等多个领域,改变了人类对物质的研究范式和基础认知。在物理学领域,SPM可以在原子尺度上探究单个缺陷的电子态、单个磁性原子的自旋能级结构及其新奇磁相互作用,并构建原子尺度的量子门和量子围栏等新奇物理器件;在超高真空环境中,SPM为研究单分子级的化学反应过程提供了有力手段,同时也适用于大气和液相环境中多相催化、电化学、分子自组装等领域的高分辨表征;在材料学领域,SPM不仅可以探究超导和拓扑材料的局域电子态结构及其微观机制,还可以实现二维材料、光电功能化材料和铁电材料的局域电学、光学、磁学性质以及生长动力学的高分辨表征。此外,SPM还被广泛应用于生物体系(包括器官、组织、生物薄膜、蛋白质以及核酸)中的结构表征和成像,通过功能化的AFM针尖采集单分子/单细胞力谱,探究生物基团或细胞间的各类相互作用,利用快速扫描AFM还可实时观测细胞分裂等生物学过程。

目前,SPM存在着针尖在扫描过程中对样品不可避免的扰动、受限的探测带宽和时间分辨能力、难以探测埋藏界面的微观信息等技术瓶颈,有望通过与超快激光、量子传感、精密测量、光学微腔等技术融合取得突破。SPM未来的发展趋势包括相干探测和操控、复杂三维纳米结构的表征和解构、极端物理条件下的SPM以及生物活体系统的原位表征等。

A.扫描隧道显微镜和原子力显微镜示意图;B.利用扫描探针操控单分子化学反应;C.单个Ti原子的磁共振谱线;D.利用力谱探测病毒在细胞上的扩散和结合行为;E.单个水分子的振动谱;F.外膜蛋白质的原子力显微镜成像;G.单个水合钠离子的原子力显微镜成像

《自然·综述·方法导论》(Nature Reviews Methods Primers)创刊于2021年1月,致力于加强多学科对综合性、复杂性科学问题的协同攻关,通常围绕一个重要主题,邀请跨地区、跨学科的多名顶尖学者合作撰写介绍和总结先进方法或技术的引导性综述,旨在面向更为广泛的读者,概述该主题相关方向的发生发展、方法与应用。江颖等在该文中详细介绍了扫描探针显微镜的基本原理和设备构造,展示了如何实现高分辨成像、谱学以及原子分子操纵技术,总结了扫描探针显微术在物理学及其他领域的最新应用,并梳理了该领域所面临的技术挑战和未来发展前景。

相关工作得到国家自然科学基金委、国家重点研发计划,教育部、北京市科学技术委员会、北京市发展和改革委员会、量子物质科学协同创新中心和北京怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台的支持。

综述论文链接:https://www.nature.com/articles/s43586-021-00033-2http://jiang.pku.edu.cn/file/2021/NatRevMethodsPrimer2021_SPM.pdf

编辑推介论文链接:https://www.nature.com/articles/s43586-021-00037-y