高倍显微镜结构原理（新显微镜成像技术的物理原理）

图片说明：左图，模拟的原子力显微镜图像。此方法中，显微镜探针扫描单个酞菁钴（CoPC）分子表面，测量力的梯度，即探针与样品之间力随着距离的变化情况；中图，模拟的扫描隧道显微镜图像。此方法中，显微镜探针扫描样品（同上，CoPC单分子）表面，测量探针与样品表面产生的隧道电流；右图，模拟的非弹性电子隧道谱图像。此方法中，显微镜探针扫描样品（同上，CoPC单分子）表面，测量分子传感器相对于显微镜探针振动频率的变化。图片来源：Physical Review Letters

在扫描隧道显微镜探针附加小分子或小原子，这样可以大大提高显微镜的分辨率，我们就可以观察到分子的几何结构。在过去几年里，该方法在科学界广受瞩目。德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）和捷克科学院的研究人员使用计算机模拟，深入研究这些新成像技术背后的物理知识，他们的研究成果发表于Physical Review Letters杂志。于利希研究中心的Tautz教授说：“我们将实验结果和模拟结果进行了比较，发现它们是一致的，这表明我们的理论模型能很好地解释新显微成像技术的原理。这样的比较对图像分析也是非常必要的。”

图片说明：扫描隧道显微镜探针（黄色）与探测物表面（灰色）之间的分子（绿色）图片来源：于利希研究中心

Tautz与于利希研究中心Peter Grünberg Institute（PGI-3）的同事一起，在2008年就开始通过在隧道显微镜探针附加单分子增加检测探针的敏感性，最开始用的是氢分子，后来用的是一氧化碳分子。这一方法也引起了科学界极大兴趣，而显微成像技术也不断进步。它使得扫描隧道显微镜可用作原子力显微镜，以超高的精度呈现分子的几何结构。

Tautz说：“复杂有机分子的价电荷云经常会在整个分子周围扩散，因此掩盖了其原子结构。”在显微镜探针上绑定的分子可用作定制传感器和信号转化器，从而观察原子结构。

过去几年里，这样的原子传感器在原子力显微镜中也很有用。2014年5月，美国加州大学欧文分校的研究人员首次证明传感器可提高相应成像模式下的信号质量，这一成像模式被称为非弹性电子隧道谱。在这种情况下，分子传感器相对于探针的振动会对所扫描样品的表面势场变化非常敏感。

“我们的计算结果说明了弹性力对原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）、扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）和非弹性电子隧道谱（inelastic electron tunneling spectroscopy，IETS）高精度成像的影响。”捷克科学院的Pavel Jelínek教授这样说道：“我们相信这一实验结果对非弹性电子隧道谱的应用非常重要。因为，非弹性电子隧道谱让此技术可用作材料科学中的附加信息获取源，从图像中获得其他的参数。”

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