低温扫描隧道显微镜PanScan Freedom应用案例

案例1：Oregon University的George Nazin教授利用扫描隧道显微（STM）和扫描隧道谱学（STS）技术研究了吸附在Au(111)表面上的烷基取代噻吩低聚物的构象和电子结构，发现Au(111)表面反应活性的局部变化可以导致分子轨道能级的明显变化（下图，DOI: 10.1021/acsami.5b03516）。这些结果表明，界面分子的构象和电子结构可能与基于块状噻吩晶体的能带结构而预期的性能有很大的不同。

参考文献：Adsorption-Induced Conformational Isomerization of Alkyl-Substituted Thiophene Oligomers on Au(111): Impact on the Interfacial Electronic Structure[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(28):15138-15142.

案例2：荷兰Leiden University的Marc T. M. Koper教授通过原子分辨的STM图像发现了两条由水分子组成的平行线沿Pt(111)台阶边缘排布（下图），并验证了Pt(111)的模板作用，确认形成了双链水的结构。这些结果突出表明了Pt表面电子波纹对吸附在其表面的水结构的巨大影响。

参考文献：Double-Stranded Water on Stepped Platinum Surfaces. Phys. Rev. Lett. 116, 136101 – Published 29 March 2016.

■  超快太赫兹-扫描隧道显微镜（THz-STM）—— 调控单原子隧道电流

原子级上电流的超快控制对纳米电子未来的创新关重要。之前相关研究表明，将皮秒级太赫兹脉冲耦合到金属纳米结构可以实现纳米尺度上极度局部的瞬态电场。

近期，加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）Frank A. Hegmann教授研究组在美国RHK Technology公司生产的商用超高真空扫描隧道显微镜（RHK-UHV-SPM 3000）系统上自主研发了太赫兹-扫描隧道显微镜（THz-STM），在超高真空中对Si(111)-(7×7)样品表面执行原子分辨率THz-STM测量，展示了超高真空中的THz-STM探索原子精度的超快非平衡隧道动力学的超强能力。

图1：利用THz-STM在超高真空中控制极端隧道电流

在图1(a)中可以看到，超快太赫兹（THz）脉冲通过反向视窗上的透镜（左侧）聚焦到超高真空（中间）的STM探针上，在隧道结（插图）处产生隧道电流。图1(c)中展示了耦合到STM针尖的太赫兹脉冲引发随时间变化的偏压（VTHz（t），红色实线），驱动超快太赫兹感应电流（ITHz（t），蓝色实线），从而产生整流的平均隧道电流。太赫兹脉冲极性（0°, 90°, 180°）可用于控制太赫兹脉冲引起的整流隧道电流，如图1(e)所示。电子从样品向前沿流动，产生负的太赫兹极性，从前沿到样品具有正的太赫兹极性。

图2：Si(111)- (7×7)上的单个原子非平衡隧穿的超快控制

极限太赫兹脉冲驱动的隧道电流高达常规STM中稳态电流的107倍，实现了以0.3nm的空间分辨率对硅表面上的单个原子成像，由此确定在高电流水平下的超快太赫兹脉冲驱动隧道确实可以局域化为单一原子。此外，测试结果表明解释Si(111)-(7×7)上的太赫兹驱动的STM（TD-STM）图像的原子波纹（其中数百个电子在亚皮秒时间尺度内隧穿），需要理解非平衡充电动力学由硅表面的太赫兹脉冲引起。同时，单个原子的太赫兹驱动隧道电流的方向可以通过太赫兹脉冲电场的极性来控制。在太赫兹频率下，类金属Si(111)-(7×7)表面不能从体电子屏蔽电场，导致太赫兹隧道电导与稳态隧道电导基本机制的不同。很显然，这样一个极端的瞬态电流密度并不会影响所研究的单原子STM针尖或样品表面原子，如同在传统STM测试中具有如此大小隧道电流的Si(111)-(7×7)一样。

图3：太赫兹感应电流中的热电子

在高太赫兹场中观察到了来自热电子的隧道电流的额外贡献。超快太赫兹诱导的带状弯曲和表面状态的非平衡充电打开了新的传导通路，使极端瞬态隧道电流在前沿和样品之间流动。半导体表面的THz-STM为原子尺度上的超快隧穿动力学提供了新的见解，这对于开发新型硅纳米电子学和以太赫兹频率工作的原子级器件关重要。

美国RHK公司商用超高真空扫描隧道显微镜（RHK-UHV-SPM 3000）为THz-STM的研发提供了稳定可靠的基础，期待Frank A. Hegmann教授研究组利用这个强大的科研武器取得更多的成果，同时希望更多的科研工作者能在THz-STM实验平台上开展富有成效的学术研究。

参考文献：
1. Tyler L. Cocker, Frank A. Hegmann et al. An ultrafast terahertz scanning tunneling microscope. Nature Photonics, 151(2013).
2. Vedran Jelic, Frank A. Hegmann et al. Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface. Nature Physics, 4047(2017).

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低温扫描隧道显微镜PanScan Freedom测试数据

Si(111)表面dI/dV(微分电导) mapping

同时测量的Si(111)样品STM/qPlus-AFM原子图像 

1. Lee E. Korshoj et al. Nature comm. 8:14231, 2017.
2. Benjamen N. Taber et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 15138−15142.
3. Dmitry A. Kislitsyn et al.J. Phys. Chem. C 2015, 119, 26959−26967.
4. Christian F. Gervasi et al.Nanoscale, 2015, 7, 19732–19742.
5. Manuel J. Kolb et al.PRL 116, 136101 (2016).
6. J. Derouin et al.Surface Science 641 (2015) L1–L4.
7. Jason D. Hackley et al.REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 85, 103704 (2014).
8. Dmitry A. Kislitsyn et al.J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7,1047−1054.
9. D. A. Kislitsyn et al.Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18, 4842--4849.
10. Dmitry A. Kislitsyn et al.J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 3701−3707
11. Jonathan Derouin et al.ACS Catal. 2016, 6, 4640−4646.
12. Dmitry A. Kislitsyn et al.J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 3138−3143. 

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RHK公司PanScan Freedom低温扫描隧道显微镜以其技术性和稳定性、的精度和良好的用户体验得到了国内外众多科学家的认可和青睐，在全球范围内已有超过了20位用户。

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