康奈爾大學(xué)教授基思·斯瓦伯從事于低溫儀器研究,他于本周在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文,闡述了他新發(fā)明的一種類似于低溫儀器的設(shè)備。
據(jù)physorg網(wǎng)站2007年11月1日?qǐng)?bào)道,以一種新方法利用現(xiàn)有技術(shù),康奈爾大學(xué)物理學(xué)家基思·斯瓦伯和他的康奈爾大學(xué)及波士頓大學(xué)同事共同制造出了掃描隧道顯微鏡(STM),可以拍攝表面單個(gè)原子圖像,速度至少比現(xiàn)有顯微鏡的速度快100倍。利用現(xiàn)在納米電子學(xué)的一種測量方法,僅僅做一些小小的改動(dòng)就可以使掃描隧道顯微鏡具備重要的新功能,這些功能包括感應(yīng)單個(gè)原子大小點(diǎn)溫度的能力。
《自然》雜志11月1日版中刊登的論文對(duì)此研究進(jìn)行了闡述。掃描隧道顯微鏡可以使用量子穿越隧道或電子通過隧道穿越障礙的能力,測量針型探測器和一個(gè)傳導(dǎo)表面之間的距離。研究人員在樣品上施加了一個(gè)微小電壓,移動(dòng)探測器(一個(gè)簡單的鉑銥線纏繞在一個(gè)僅有一個(gè)原子寬度的末端點(diǎn)上)至距離樣品表面上方僅幾埃(1納米等于10埃)的位置。通過測量樣品和探測器之間電子隧道之間電流的變化情況,他們能夠在原子級(jí)上重建一幅表面拓?fù)鋱D。
自二十世紀(jì)八十年代掃描隧道顯微鏡問世以來,它在半導(dǎo)體和納米電子學(xué)等領(lǐng)域取得了重大研究發(fā)現(xiàn)成果。但是電流可以在一納秒內(nèi)發(fā)生變化,因此使用掃描隧道顯微鏡進(jìn)行測量速度非常慢。導(dǎo)致速度慢的原因不在于信號(hào)本身,而在于與分析這些信號(hào)相關(guān)的基礎(chǔ)電子學(xué)。一個(gè)理想的掃描隧道顯微鏡收集數(shù)據(jù)的速度可以與電子穿越隧道的保持速度一樣快,速率達(dá)到一千兆赫,或帶寬達(dá)到每秒10億次循環(huán)。但是一個(gè)典型的掃描隧道顯微鏡卻受讀取電路電纜容量或能量儲(chǔ)存的限制,速度特別慢,大約為1千赫(每秒1,000次循環(huán))或甚至更少。
研究人員嘗試了各種各樣復(fù)雜的矯正手段。但是斯瓦伯稱,最后康奈爾大學(xué)的一名副教授發(fā)明了一個(gè)極其簡單的解決辦法。通過增加一個(gè)額外的射頻波源,通過一個(gè)簡單的網(wǎng)絡(luò)將一個(gè)波送入掃描隧道顯微鏡中,研究人員發(fā)現(xiàn)他們能夠利用波向波源反射的特性,探測到隧道結(jié)(探測器和樣品表面之間的距離)的電阻。該技術(shù)稱之為反射計(jì)技術(shù),使用標(biāo)準(zhǔn)電纜作為高頻波通道,速度不會(huì)受電纜容量限制減慢。
斯瓦伯稱,“頻率基礎(chǔ)性限制和操作員工作的地點(diǎn)之間分為6個(gè)數(shù)量級(jí)。通過使用射頻,可以將速度增加100至1000倍。我們希望我們能夠或多或少拍攝出一些視頻圖象,掃描無需花費(fèi)太多時(shí)間?！?
該技術(shù)同樣具有制造原子級(jí)溫度表(對(duì)表面內(nèi)所有特定原子進(jìn)行精確溫度測量)的應(yīng)用前景,可在比原子小30,000倍的距離內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測量。斯瓦伯說,“新掃描隧道顯微鏡將應(yīng)用于很多物理實(shí)驗(yàn)。一旦你開啟這一新參數(shù)之門,人們將找到應(yīng)用他們的途徑。我堅(jiān)定地相信10年之后,我們身邊將會(huì)有大量的射頻掃描隧道顯微鏡,人們可以利用他們來做各種各樣的偉大實(shí)驗(yàn)?！?/p>
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