扫描拉曼埃分辨显微术：埃级分辨的针尖增强拉曼光谱成像技术

本综述对埃分辨针尖增强拉曼光谱成像技术的最新进展做了一个概述. 首先在理论层面介绍了如何理解原子尺度下对光进行限域,并解释了单个分子在这样一个原子级束缚的局域光“照射”下拉曼散射过程是如何发生的. 然后,概述了埃分辨针尖增强拉曼光谱技术相关研究领域的发展历程及其最新进展,特别介绍了最近发展的一种新的实空间单分子化学结构可视化重构技术—“扫描拉曼埃分辨显微术”. 最后,展望了该技术所具有的这种在单个化学键层面上识别材料化学结构的能力在不同的科学领域的应用前景.     

扫描拉曼埃分辨显微术:埃级分辨的针尖增强拉曼光谱成像技术（英文）

本综述对埃分辨针尖增强拉曼光谱成像技术的最新进展做了一个概述.首先在理论层面介绍了如何理解原子尺度下对光进行限域,并解释了单个分子在这样一个原子级束缚的局域光"照射"下拉曼散射过程是如何发生的.然后,概述了埃分辨针尖增强拉曼光谱技术相关研究领域的发展历程及其最新进展,特别介绍了最近发展的一种新的实空间单分子化学结构可视化重构技术—"扫描拉曼埃分辨显微术".最后,展望了该技术所具有的这种在单个化学键层面上识别材料化学结构的能力在不同的科学领域的应用前景.     

单分子科学进展

综述了新兴边缘学科－－单分子科学的进展。对单分子科学的基本实验技术即扫描探针显微术、荧光技术和光镊技术进行了介绍。结合众多的实例（如：对单原子的直接操纵、直接测量化学键强度、在DNA链上“拔河”、用单个C60分子作放大器等）评述了单分子科学方法在各学科领域的广泛应用,以及单分子科学对它们产生的深远影响。最后对单分子科学的发展前景进行了展望。     

原子力显微术研究进展

原子力显微术是微纳米尺度实空间形貌成像与结构表征的关键技术之一。近些年,原子力显微术衍生发展出了一系列令人瞩目的功能化探测模式和新技术。文章从以下两个方面论述了原子力显微术的前沿进展:(1)原子力显微术的功能化探测模式及其在微纳米尺度物性研究与测量以及微纳加工等领域的应用;(2)原子力显微术自身在更高精度、更高分辨率、更快速度、更多功能等方面的进展及在基础和应用研究领域中的应用。文章还展望了原子力显微术的下一步发展方向和正在不断扩展的研究领域。     

激光分子束外延BaTiO3薄膜最顶层表面原子平面与薄膜生长机理

用激光分子束外延技术在SrTiO₃(001)衬底上外延生长了高质量的BaTiO_{3< /sub>薄膜,薄膜的生长过程由反射式高能电子衍射仪(RHEED)原位实时监测,表明薄膜具有 二维层状生长模式.薄膜的晶体结构和表面形貌分别由X射线衍射和原子力显微镜表征,显示 该薄膜为完全c轴取向四方相晶体结构,其表面具有原子尺度光滑性.采用角分辨X射线光电 子谱技术(ARXPS),研究了BaTiO3薄膜表面最顶层原子种类和排列状况.结果表 明,BaTiO3 关键词： 激光分子束外延 3薄膜')" href="#">氧化物BaTiO3薄膜 最顶层表面 角分辨X射线光电子谱}     

单原子作为保护基团实现石墨双炔纳米线的表面合成

由于在贵金属表面的双炔单元具有高反应活性,表面合成半导体性质的石墨双炔纳米线通常会受到副反应的严重影响,难以分立的纳米线的高质量制备.本文利用化学气相沉积1,4-bis(4-bromophenyl)-1,3-butadiyne分子到表面发生Ullmann偶联反应,可实现无支链的石墨双炔纳米线[-C≡C-Ph_2-C≡C-]_n (PYP)的高产率合成.进一步的单化学键分辨的非接触原子力显微镜表征揭示了单个金增原子与双炔键之间形成了π-ligand键,有效地充当了反应过程中双炔单元的保护基团,避免了偶联过程中的副反应,从而实现了分立的超长石墨双炔纳米线的合成.这项研究将启发对在表面反应中各类表面增原子所起保护作用的更深入研究.     

单原子作为保护基团实现石墨双炔纳米线的表面合成（英文）

由于在贵金属表面的双炔单元具有高反应活性,表面合成半导体性质的石墨双炔纳米线通常会受到副反应的严重影响,难以分立的纳米线的高质量制备.本文利用化学气相沉积1,4-bis(4-bromophenyl)-1,3-butadiyne分子到表面发生Ullmann偶联反应,可实现无支链的石墨双炔纳米线[-C≡C-Ph_2-C≡C-]_n (PYP)的高产率合成.进一步的单化学键分辨的非接触原子力显微镜表征揭示了单个金增原子与双炔键之间形成了π-ligand键,有效地充当了反应过程中双炔单元的保护基团,避免了偶联过程中的副反应,从而实现了分立的超长石墨双炔纳米线的合成.这项研究将启发对在表面反应中各类表面增原子所起保护作用的更深入研究.     

在Au(111)表面酞菁单分子与钴原子可控金属化反应

本文利用低温扫描隧道显微术和第一性原理计算研究了吸附在Au(111)表面的酞菁分子(H₂Pc)与Co原子在单分子水平上的金属化反应过程. 通过扫描探针的操纵手段,以可控的方式原位实现了单个H₂Pc分子与钴原子反应生成CoPc的金属化酞菁产物,揭示出源于H₂Pc和Co原子的π-d相互作用的中间过程. 结合第一性原理计算和中间产物的图像模拟,进一步阐明了这一氧化还原反应中成键和断键的关键机制,即脱氢和金属化过程并非由Co原子和吡咯环的H作用所致,而与Co原子和吡咯环上的N原子之间的作用有关.     

在Au(111)表面酞菁单分子与钴原子可控金属化反应（英文）

本文利用低温扫描隧道显微术和第一性原理计算研究了吸附在Au(111)表面的酞菁分子(_H2Pc)与Co原子在单分子水平上的金属化反应过程.通过扫描探针的操纵手段,以可控的方式原位实现了单个H2Pc分子与钴原子反应生成CoPc的金属化酞菁产物,揭示出源于H_2Pc和Co原子的π-d相互作用的中间过程.结合第一性原理计算和中间产物的图像模拟,进一步阐明了这一氧化还原反应中成键和断键的关键机制,即脱氢和金属化过程并非由Co原子和吡咯环的H作用所致,而与Co原子和吡咯环上的N原子之间的作用有关.     

扫描隧道显微术最新进展与原子搬迁

自从扫描隧道显微镜问世以来，已陆续发展了一系列新型扫描探针显微仪器，如原子力显微镜、磁力显微镜、摩擦力显微镜等等，这些显微仪器不仅能以极高分辨率研究样品表面的形貌和物理化学性质，而且最近几年还被成功地用于操纵单个的原子和分子，文章着重介绍了ＳＴＭ在这方面的进展情况。     

铁（Fe）原子改性石墨烯对沙林分子的吸附性质研究

利用第一性原理密度泛函理论,系统研究了本征石墨烯、单个Fe原子修饰石墨烯对沙林分子的吸附性质. 吸附能、电子态密度和密立根电荷密度等相关性质计算表明：本征石墨烯对沙林分子的吸附作用为弱的物理吸附；Fe原子的引入，明显增强了石墨烯基底对沙林的吸附作用，沙林分子态密度更加弥散，并且向低能方向移动，沙林分子与Fe改性石墨烯体系之间存在明显的电荷转移,吸附体系更加稳定. 相应工作的开展，为沙林毒剂分子的识别、防护提供了理论依据.     

H2O分子在Fe(100), Fe(110), Fe(111)表面吸附的第一性原理研究

采用第一性原理研究了H2O分子在Fe(100),Fe(110),Fe(111)三个高对称晶面上的表面吸附.结果表明,H2O分子在三个晶面上的最稳定结构皆为平行于基底表面的顶位吸附结构.H2O分子与三个晶面相互作用的吸附能及几何结构计算结果表明H2O分子与三个晶面的相互作用程度不同,H2O分子与Fe(111)晶面的相互作用最强,其次是Fe(100),相互作用最弱的是Fe(110)表面,而这与晶面原子的排列密度相关.吸附体系的电子结构计算结果也得出了相似的结论.同时电荷布居分析表明,H2O分子与Fe表面相互作用时,O原子与基底原子之间的电荷交换使基底Fe原子表面带负电,导致表面电位降低,也促使Fe表面更易于发生电化学腐蚀反应.     

基于金刚石体系中氮-空位色心的固态量子传感

在室温下,金刚石中的氮-空位(NV)色心具有荧光强度稳定、电子自旋相干时间长以及与生俱来的原子尺寸的特点,是优良的纳米量子传感器.在成像领域中,将各种超分辨成像显微技术应用于NV色心体系,发展出多种高空间纳米分辨率的成像方法.此外,NV色心作为固态量子比特可以通过光学方法对其进行初始化和读取.NV色心电子自旋量子态还可以与电磁场、应力等进行相干耦合.基于这些耦合,科研人员在实验上实现了对相关物理量纳米级空间分辨率的高灵敏表征.目前这些量子传感技术可以应用在新材料、单个蛋白质核自旋、活体神经元等方面的测量中.本综述主要介绍金刚石中NV色心纳米量子传感器件的工作原理、实验实现和优化以及在相关领域的应用.     

2004年第5期《物理》内容预告

研究快讯能量与空间分辨的单分子显微术———透过碳笼“看”富勒烯　包合物内的金属原子(王炜华等) ;绝对测量He原子快电子碰撞双激发的电子关联动力学(刘　小井等) .评述半导体量子点及其应用(Ⅱ) (赵凤瑷等) .前沿进展光子晶体光纤及其应用(赵玲慧等) ;GeSbTe与AgInSbTe体系     

从光学显微镜到光学“显纳镜”

光学显微镜在生物学和医学等众多科学技术以及生产领域发挥着重要作用,分辨能力已经进入纳米尺度.本文综述了光学显微镜的放大原理、结构组成、发展历史、在生物学发展中的推动作用以及超越阿贝衍射极限实现超分辨荧光显微镜——光学显纳镜的原理和方法.光学显纳镜重点介绍了2014年获得诺贝尔化学奖的两项超分辨荧光显微技术,一是以光激活定位显微技术为代表的单分子显微技术,一是通过增加一束损耗光等效减小激发光斑大小来实现超分辨的受激发射损耗显微技术.     

反应显微成像谱仪动量及能量分辨因素分析

在对反应显微成像谱仪的工作原理作简要介绍的基础上,全面分析了各种可能影响动量分辨的因素,并结合反应显微成像谱仪的技术参数分别对反冲离子动量分辨以及电子动量与能量分辨进行了详细计算和讨论,确定了反应显微成像谱仪的动量及能量分辨,并为进一步提高分辨提供了重要依据. 关键词： 动量分辨 能量分辨 反应显微成像谱仪 动量成像原理     

低维原子/分子晶体材料的可控生长、物性调控和原理性应用

本文介绍了高鸿钧课题组在物理所20年来的部分代表性工作.研究的主要方向为低维纳米功能材料的分子束外延可控制备、生长机制、物性调控及其在未来信息技术中的原理性应用.从材料的可控制备入手,结合第一性原理的理论计算,阐明材料生长机制和结构与物性的关系,进而实现物性调控和原理性应用.主要内容有:1)纳米尺度"海马"分形结构的形成及其生长机制;2)STM分辨率的提高及最高分辨Si(111)-7×7原子图像的获得;3)固体表面上功能分子的吸附、组装及其机制;4)稳定、重复、可逆的纳米尺度电导转变与超高密度信息存储;5)固体表面上单分子自旋态的量子调控及其原理性应用;6)原子尺度上朗德g因子的空间分辨及其空间分布不均匀性的发现;7)晶圆尺寸、高质量、单晶石墨烯的制备及原位硅插层绝缘化;8)几种新型二维原子晶体材料的可控构筑及其物性调控;9)"自然图案化"的新型二维原子晶体材料及其功能化.这些工作为低维量子结构的构造、物性调控及其原理性应用奠定了基础.     

Ru(0001)表面氮分子和钡原子的相互作用

本文采用密度泛函理论方法研究了Ru(0001)表面氮分子和钡原子的相互作用.计算结果表明,钡原子的作用弱化了氮分子键.氮分子键长从Ru(001)-N2表面的0.113 nm伸长互Ru(001)-N2/Ba表面的0.120 nm;分子的拉伸振动频率从2221 cm-1减小到1746 cm-1;氮分子得到的电荷数从清洁表面的0.3e增加到1.1 e.电荷从钡原子6s轨道向钌原子4d轨道转移,转移电荷增强了氮分子2π空轨道和钌原子4d轨道间的杂化作用,导致5σ分子轨道和dπ杂化轨道发生极化.轨道极化使分子电偶极矩增加了约-0.136 e(A).金属钡在Ru(0001)表面氮分子活化过程中具备电子型助催剂的特征.     

qPlus型原子力显微镜技术

扫描探针显微镜主要包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜,其利用尖锐的针尖逐点扫描样品,可在原子和分子尺度上获取表面的形貌和丰富的物性,改变了人们对物质的研究范式和基础认知。近年来,qPlus型高品质因子力传感器的出现将扫描探针显微镜的分辨率和灵敏度推向了一个新的水平,为化学结构、电荷态、电子态、自旋态等多自由度的精密探测和操控提供了前所未有的机会。文章首先简要介绍原子力显微镜的发展历史和基本工作原理,然后重点描述qPlus型原子力显微镜技术的优势及其在单原子、单分子和低维材料体系中的应用,最后展望该技术的未来发展趋势和潜在应用。     

N2H4在NiFe(111)合金表面吸附稳定性和电子结构的第一性原理研究

采用基于色散校正的密度泛函理论进行了第一性原理研究, 详细分析了肼(N₂H₄)在Ni₈Fe₈/Ni(111)合金表面稳定吸附构型的吸附稳定性和电子结构及成键性质. 通过比较发现, 肼分子以桥接方式吸附在表面的两个Fe原子上是最稳定的吸附构型, 其吸附能为-1.578 eV/N₂H₄. 同时发现, 肼分子在这一表面上吸附稳定性的趋势为: 桥位比顶位吸附更有利, 且在Fe原子上比在Ni原子上的吸附作用更强. 进一步分析了不同吸附位点上稳定吸附构型的电子结构、电荷密度转移以及电子局域化情况. 结果发现: 相同吸附位点的电子态密度图基本一致, 并且N原子的p轨道和与之相互作用的表面原子的d轨道之间存在态密度上的重叠; 吸附后电荷密度则主要从肼分子转移到表面原子之上; 在电子局域化函数切面图中也发现吸附后电子被局域到肼分子的N原子和相邻的表面原子之间. 这些电子结构的表征都充分说明肼分子与表面原子之间通过电荷转移形成了强烈的配位共价作用.