光波驱动电子显微镜探测原子大小的石墨烯纳米带

密歇根州立大学的一组研究人员利用光波驱动的太赫兹扫描隧道显微镜和光谱学在超低高度探测了 7 个原子宽的扶手椅石墨烯纳米带 (7-AGNR)。他们在 GNR 边缘发现了传统扫描隧道显微镜没有发现的高度局部化的波函数。

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设计先进的光电设备需要开发在纳米尺度上运行的诊断工具。太赫兹辐射正在成为开发新技术的重要工具。

为了实现纳米级分辨率，太赫兹扫描探针显微镜将太赫兹辐射耦合到亚波长大小的探针。这为精确表征纳米结构中的波函数动力学开辟了新的可能性，并预示着未来通过调制局部电子特性而定制的光电器件是个好兆头。

扫描探针显微镜快速入门

自 1981 年两位 IBM 研究人员发明扫描隧道显微镜以来，扫描探针显微镜通过揭示纳米尺度结构的形态、形貌和组成，为材料科学的创新奠定了基础。

扫描探针显微镜的种类很多，包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜和扫描电化学显微镜。它们比传统的光学显微镜揭示了更多的细节，因为它们使用电子波而不是光波来“看到”物体。由于电子波长比光学波长小数十万倍，因此电子显微镜可以分辨比光学显微镜小数十万倍的物体。

在扫描电子显微镜中，显微探针用电子束扫描样品，从而可以分析散射的电子以形成图像。

石墨烯纳米带 (GNR) 的研究对于开发新型纳米电子器件至关重要。石墨烯纳米带是宽度小于 100 nm 的石墨烯条。石墨烯是碳的众多同素异形体之一——金刚石和石墨是另外两种众所周知的碳同素异形体。

在纳米尺度上，电子限制效应和边缘结构控制着石墨烯的特性。在 GNR 的锯齿形边缘结构中，每个边缘段都与前一个边缘段成相反的角度。在扶手椅边缘结构中，每对线段与前一对线段呈 120 度旋转角。扶手椅边缘结构是金属的或半导体的。之字形边缘结构始终是金属的。

光波驱动扫描隧道显微镜 (STM) 开辟了原子分辨显微镜的新维度。极端隧道电流（和其他场）的光波控制产生了超快场，这些场可以在传统静态 STM 场无法进入的状态下运行。

光波驱动扫描隧道显微镜

密歇根州立大学的研究小组在瑞士联邦材料科学与技术实验室和伯尔尼大学的支持下，使用表面合成从干净的金 (Au) 基板上的分子前体生长石墨烯纳米带。他们选择了具有扶手椅边缘的 7 个原子宽的 GNR（7-AGNR）进行研究。

研究小组表明，金表面基板上的微分电导对显微镜纳米探针的横向移动高度敏感。因此，通过结合扫描隧道显微镜 (STM) 和光谱学 (STS) 生成微分电导图，可以揭示样品的局部电子态密度 (LDOS) 作为位置和能量的函数。

太赫兹光谱 (THz-STS) 是作为 GNR 上方三维定位的函数进行的。它使团队能够以 ångström（10 -10米）水平和亚 ångström 垂直分辨率提取由光波驱动隧道显微镜采样的微分电导。他们还引入了光波驱动的扫描隧道断层扫描，其中恒定高度的 THz-STM 图像显示了从 GNR 价带中的占据态主导的隧道效应到导带中的未占据态主导的隧道效应的转变。

该团队应用空间相关的 THz-STS 从光波驱动的隧穿过程中解开 7-AGNR 在超低探针尖端高度的内在特性。他们将超低尖端高度定义为通过具有 s 波尖端的传统 STM 进行轨道选择性成像变得不可行的距离，因为直流电流会损坏尖端或样品。

高能位置和宽度受光谱数据拟合的限制。使用超快光电发射采样来检测探针尖端的太赫兹脉冲轮廓。将此与差分电导数据相结合足以在给定探头位置再现图像。

GNR 的光波驱动（太赫兹）扫描隧道显微镜、光谱学和断层扫描为新型材料的纳米级工程开辟了新的机遇。

参考文献和延伸阅读

Ammerman, SE等人，(2021) 原子级精确石墨烯纳米带的光波驱动扫描隧道光谱。自然通讯，[在线] 可在：https ://doi.org/10.1038/s41467-021-26656-3