納米化學(xué)科學(xué)研究中的掃描探針顯微學(xué)

劉嘯天

（東莞理工學(xué)院，廣東 東莞 523000）

納米科學(xué)和技術(shù)， 作為重要的新興科學(xué)之一，主要基于納米尺度對(duì)物質(zhì)的特性和相互作用進(jìn)行研究與分析，確保特定功能產(chǎn)品的順利制造，將生產(chǎn)方式推向全新的高度。 對(duì)納米尺度進(jìn)行分析， 最低為0.1 nm，最高為100 nm。 在納米科學(xué)中，研究領(lǐng)域主要包括納米電子學(xué)、納米機(jī)械學(xué)等，納米科學(xué)的不斷發(fā)展，與掃描探針顯微術(shù)（SPM）之間有著密切的聯(lián)系，換言之，SPM 的使用可以有效促進(jìn)納米科技的發(fā)展， 而納米科技的發(fā)展， 也為SPM 的應(yīng)用提供了有力扶持。SPM 涵蓋了諸多的顯微技術(shù)， 如掃描隧道顯微術(shù)（STM）、原子力顯微術(shù)（AFM）等，SPM 憑借納米級(jí)，可以對(duì)物質(zhì)表面原子或分子的幾何分布進(jìn)行有效觀測(cè)，對(duì)物體局域光、電和機(jī)械特性予以明確化，而且應(yīng)用的廣泛性突出，可以有效操縱原子和分析，由于涵蓋一系列功能，所以在納米科學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

1 S TM 技術(shù)的相關(guān)概述分析

STM 作為高分辨率顯微術(shù)，具有新型化特點(diǎn)。 其中，量子隧道效應(yīng)得到了充分體現(xiàn)，對(duì)其工作原理進(jìn)行分析，主要是指將針尖和被研究物質(zhì)表面視為兩個(gè)電極，在施加一電壓的情況下，并控制好兩級(jí)間的距離，在達(dá)到數(shù)埃時(shí)，在量子效應(yīng)的影響下，有隧道電流在兩極之間得到了充分體現(xiàn)，促進(jìn)信號(hào)收集和處理工作的順利開展，確保樣品表面的三維空間結(jié)構(gòu)的順利形成。通常來說，STM 具有較高的分辨率，縱向通常在0.1 nm 以上，水平應(yīng)在0.1 nm 以上，為人們”看”原子、分子提供便利性。 在以往的STM 工作中，超高真空得到了充分體現(xiàn)，借助該技術(shù)，可以對(duì)Si（111）表面的7×7 重構(gòu)組織進(jìn)行動(dòng)態(tài)化觀察，從而在整個(gè)科學(xué)界中享有較高的美譽(yù)度、知名度。 后來諸多電化學(xué)家做出了不懈努力[1]，電化學(xué)STM 應(yīng)運(yùn)而生。 目前經(jīng)過不斷完善和研究， 商品化的電化學(xué)STM 或SPM 設(shè)備的應(yīng)用價(jià)值越來越突出。 針對(duì)電化學(xué)STM 的特點(diǎn)，基于普通STM，對(duì)電化學(xué)電位控制系統(tǒng)進(jìn)行增設(shè)，特別針對(duì)于新型的電化學(xué)STM，通過獨(dú)立控制探針與樣品的雙三電極系統(tǒng)的應(yīng)用，在溶液中，可以對(duì)電極表面的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效觀察，同時(shí)根據(jù)不同需求，控制樣品和探針的帶電狀態(tài)，可以給予原子分子加工控制一定的保障，確保納米結(jié)構(gòu)的順利構(gòu)建。

除此之外， 對(duì)比電化學(xué)STM 系統(tǒng)和超高真空中的STM 系統(tǒng)，電化學(xué)STM 系統(tǒng)有著較高的優(yōu)勢(shì)，如價(jià)格低廉，工作環(huán)境與實(shí)際情況較為接近，從而為納米科學(xué)的研究助益。 以下在介紹SPM 時(shí)[2]，主要根據(jù)納米結(jié)構(gòu)的研究表征和納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑來進(jìn)行，尤其應(yīng)對(duì)電化學(xué)STM 在納米化學(xué)科學(xué)研究中的應(yīng)用予以高度重視。

2 納米結(jié)構(gòu)的研究和表征分析

對(duì)于特定功能的有機(jī)分子自組裝結(jié)構(gòu)，在分子器件方面，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，所以備受人們的高度重視。 基于高分辨率成像技術(shù)，通過電化學(xué)STM 的應(yīng)用，在金屬基底表面，可以對(duì)不同類型的分子進(jìn)行有效觀察與識(shí)別。 TMPyP 作為重要分子之一，主要基于生物光合作用產(chǎn)生，其光電性能顯著，屬于光電分子器件，實(shí)施了深度性研究。高清晰度成像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)STM 圖像的順利獲取， 而且還可以對(duì)TMPyP 分子在金屬表面進(jìn)行深度了解。 圖1 為TMPyP 的STM 圖像，分子細(xì)節(jié)具有較高的辨識(shí)度，分子結(jié)構(gòu)也高度清晰，可以看出TMPyP 分子密切融合π 鍵與基底，分子平面與基底處于平行狀態(tài)，而且不同分子列的分子的旋轉(zhuǎn)排列為45°，確保最密排結(jié)構(gòu)的順利形成。 TCNQ類有機(jī)化合物， 由于與TTF 類化合物具有較高適應(yīng)性，所以有助于導(dǎo)電復(fù)合物的形成。 通過電化學(xué)方法的應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者在Cu（111)表面，對(duì)TCNQ 的單層分子薄膜實(shí)施制備，并借助電化學(xué)STM，實(shí)時(shí)原位研究吸附層的結(jié)構(gòu)等[3]。

圖1 TMPyP 的STM 圖像

TCNQ 分子在Cu（111)表面，所形成4×4 結(jié)構(gòu)具有較高的有序性，TCNQ 分子的π 電子與Cu 的相互作用顯著。 借助“平臥”的水平取向的應(yīng)用，在研究其他有機(jī)分子自組裝納米結(jié)構(gòu)時(shí)， 相關(guān)報(bào)道也比較多，由此可以看出，STM 技術(shù)在納米結(jié)構(gòu)的研究和表征方面發(fā)揮著明顯優(yōu)勢(shì)。

3 納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑和納米電子學(xué)元件研究

STM 技術(shù)具有較高的獨(dú)特性，不僅可以對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行密切觀察， 而且在操縱原子分子的帶動(dòng)下，可以有效構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)階段，在超高真空的原子分子操縱較多， 比如早期的將35 個(gè)Xe 原子排成陣列，確保“IBM”字樣的形成。 目前，我國(guó)科學(xué)家對(duì)于STM進(jìn)行表面原子操縱的重視程度越來越高[4]，基于不同分子的性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)原理，電化學(xué)STM 觀測(cè)控制，可以促進(jìn)溶液中原子加工的順利進(jìn)行，并通過設(shè)計(jì)制造分子，確保新的納米結(jié)構(gòu)得到順利構(gòu)筑，其實(shí)施效果顯著。外國(guó)某教授在研究可控納米點(diǎn)陣的構(gòu)筑中[5]，電化學(xué)STM 具有較高的應(yīng)用價(jià)值， 主要借助針尖沉積定量的Cu 原子簇，應(yīng)用電化學(xué)法，通過對(duì)一個(gè)脈沖進(jìn)行施加，在針尖與基底接觸中，Cu 原子簇與預(yù)定的位置相一致。 其中，通過制備環(huán)形Cu 原子簇陣列，可以有效制成其他納米結(jié)構(gòu)， 如二維的原子簇陣列等，其精度較高。同時(shí)借助該方法沉積的納米級(jí)銅團(tuán)簇的電化學(xué)穩(wěn)定性具有明顯的不同之處，這一結(jié)果統(tǒng)稱為納米結(jié)構(gòu)的小尺寸效應(yīng)。此外，用針尖對(duì)金屬、半導(dǎo)體表面的原子級(jí)加工，其發(fā)展空間也比較大。

原子、分子為基本結(jié)構(gòu)單元的重要構(gòu)成，在各種電子學(xué)器件的功能方面發(fā)揮著重要作用，所以在納米電子學(xué)研究中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。 借助電位變化的應(yīng)用， 可以對(duì)表面吸附分子在材料表面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制， 比如控制分子在與基底平行的取向之間的變化顯著，而且這種取向變化具有高度的可逆性，其影響因素主要體現(xiàn)在電位這一方面，其行為與原子、分子開關(guān)具有較高的適應(yīng)性。這一研究可以為設(shè)計(jì)原子、分子器件創(chuàng)造有力條件。 相關(guān)學(xué)者對(duì)2-2 聯(lián)吡啶在Cu（111）表面的吸附產(chǎn)生了大力研究，憑借電化學(xué)STM技術(shù)，在電位變化的影響下，可以實(shí)時(shí)原位觀察分子吸附取向情況。 由這一結(jié)果可以看出，電位的變化與觀察分子吸附狀態(tài)之間有著密切的聯(lián)系， 電位的變化，會(huì)影響分子吸附狀態(tài)的觀察，而且還可以將通過電位控制實(shí)現(xiàn)分子開關(guān)的功能展示出來。

4 結(jié)語(yǔ)

借助STM 可以有效表征分析納米結(jié)構(gòu)， 可以對(duì)其排列方式和電子學(xué)性能展開研究，而且在操縱原子和分子的情況下， 可以更好地研究納米電子學(xué)元件，構(gòu)筑全新的納米結(jié)構(gòu)。目前，根據(jù)諸多研究成果可知，這一技術(shù)在納米科學(xué)研究中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。但是在納米科技不斷發(fā)展的過程中， 基于STM 的SPM技術(shù)，應(yīng)進(jìn)行不斷創(chuàng)新、與時(shí)俱進(jìn)，將全新的應(yīng)用領(lǐng)域拓展開來，確保與新時(shí)代要求相適應(yīng)。 總之，以STM的SPM 技術(shù)的研究對(duì)象，主要以原子或分子為主，而納米科學(xué)技術(shù)，應(yīng)遵循自下而上原則，也就是將原子和分子作為結(jié)構(gòu)單元， 以此來為組裝成品提供優(yōu)勢(shì)。所以說，SPM 技術(shù)與納米科學(xué)之間的關(guān)系是緊密聯(lián)系、密不可分的，在SPM 不斷發(fā)展過程中，尤其對(duì)于電化學(xué)STM，憑借諸多科學(xué)工作人員的合力，可以推動(dòng)納米科學(xué)領(lǐng)域的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展與進(jìn)步。