康奈爾大學教授基思·斯瓦伯從事于低溫儀器研究,他于本周在《自然》雜志上發表了一篇論文,闡述了他新發明的一種類似于低溫儀器的設備。
據physorg網站2007年11月1日報道,以一種新方法利用現有技術,康奈爾大學物理學家基思·斯瓦伯和他的康奈爾大學及波士頓大學同事共同制造出了掃描隧道維氏硬度計(STM),可以拍攝表面單個原子圖像,速度至少比現有維氏硬度計的速度快100倍。利用現在納米電子學的一種測量方法,僅僅做一些小小的改動就可以使掃描隧道維氏硬度計具備重要的新功能,這些功能包括感應單個原子大小點溫度的能力。
《自然》雜志11月1日版中刊登的論文對此研究進行了闡述。掃描隧道維氏硬度計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傳導表面之間的距離。研究人員在樣品上施加了一個微小電壓,移動探測器(一個簡單的鉑銥線纏繞在一個僅有一個原子寬度的末端點上)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,他們能夠在原子級上重建一幅表面拓撲圖。
自二十世紀八十年代掃描隧道維氏硬度計問世以來,它在半導體和納米電子學等領域取得了重大研究發現成果。但是電流可以在一納秒內發生變化,因此使用掃描隧道維氏硬度計進行測量速度非常慢。導致速度慢的原因不在于信號本身,而在于與分析這些信號相關的基礎電子學。一個理想的掃描隧道維氏硬度計收集數據的速度可以與電子穿越隧道的保持速度一樣快,速率達到一千兆赫,或帶寬達到每秒10億次循環。但是一個典型的掃描隧道維氏硬度計卻受讀取電路電纜容量或能量儲存的限制,速度特別慢,大約為1千赫(每秒1,000次循環)或甚至更少。
研究人員嘗試了各種各樣復雜的矯正手段。但是斯瓦伯稱,后康奈爾大學的一名副教授發明了一個極其簡單的解決辦法。通過增加一個額外的射頻波源,通過一個簡單的網絡將一個波送入掃描隧道維氏硬度計中,研究人員發現他們能夠利用波向波源反射的特性,探測到隧道結(探測器和樣品表面之間的距離)的電阻。該技術稱之為反射計技術,使用標準電纜作為高頻波通道,速度不會受電纜容量限制減慢。
斯瓦伯稱,“頻率基礎性限制和操作員工作的地點之間分為6個數量級。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,掃描無需花費太多時間?！?
該技術同樣具有制造原子級溫度表(對表面內所有特定原子進行精確溫度測量)的應用前景,可在比原子小30,000倍的距離內進行運動測量。斯瓦伯說,“新掃描隧道維氏硬度計將應用于很多物理實驗。一旦你開啟這一新參數之門,人們將找到應用他們的途徑。我堅定地相信10年之后,我們身邊將會有大量的射頻掃描隧道維氏硬度計,人們可以利用他們來做各種各樣的偉大實驗?！?/p>
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