編譯 王曉濤

電子顯微鏡的進(jìn)步徹底改變了我們?cè)谠映叨壬蠈?duì)材料的成像、描述和操作方式。

科學(xué)史上，關(guān)于物質(zhì)性質(zhì)、元素組成、材料屬性與原子排布的關(guān)系以及原子排布是如何影響能流或被能流影響這樣的問題，可以說比比皆是。對(duì)于這些問題，從與原子理論相關(guān)的哲學(xué)領(lǐng)域，到證明原子存在的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，再到現(xiàn)代量子理論領(lǐng)域，我們給出了各種各樣的答案。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)測(cè)量是這些答案的重要根基。

美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

最近，電子顯微鏡技術(shù)明確回答了以下問題：我們能看到原子嗎？原子有哪些行為？原子間的相互作用如何產(chǎn)生各種屬性、形式和功能？目前，凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)正朝著更直接和更實(shí)際的目標(biāo)轉(zhuǎn)變——即試圖理解原子的功能并控制它們的行為。

現(xiàn)代原子論的起源可以追溯到古希臘，不可毀滅、不可分割的原子模型在那時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)。古希臘人假設(shè)，固體由具有多個(gè)掛鉤和開口的原子組成以確保它們的結(jié)合足夠牢固（見圖1），而液體則由容易移動(dòng)的光滑原子組成。盡管從現(xiàn)代科學(xué)的角度來看，這樣的理論過于簡(jiǎn)單化，但德謨克利特將物質(zhì)的特性歸因于各個(gè)成分間相互作用的思想是很正確的。他巧妙地指出，構(gòu)筑宏觀世界的磚石只是一些基本成分：“甜和苦，熱和冷，各種顏色，原子和虛空?！?/p>

圖1 為了描述原子間的相互作用，我們將基本的掛鉤-開口模型發(fā)展為簡(jiǎn)單的電子-原子核模型，之后又更新為現(xiàn)代的量子理論

然而，在德謨克利特的時(shí)代，原子理論只不過是眾多相互競(jìng)爭(zhēng)的世界觀中的一個(gè)，它的理論基礎(chǔ)是哲學(xué)而非實(shí)驗(yàn)測(cè)量。一些波斯科學(xué)家在12 至14 世紀(jì)的著作中暗示了原子的模型，盡管他們的理論仍然缺乏實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。這個(gè)黃金時(shí)代也為全世界提供了代數(shù)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)和地理學(xué)的許多基本知識(shí)。

13世紀(jì)時(shí)對(duì)原子模型的暗示

沒有什么是一成不變的，一切都在運(yùn)動(dòng)

粒子附著在一起，直到土地和天空被創(chuàng)造出來

我們開始了解粒子，賦予它們名字和意義

這些熟悉的粒子再一次淹沒在漩渦中

彼此分裂，變成另一種形式

我看到太陽(yáng)從幾十萬(wàn)個(gè)粒子的組合中出現(xiàn)

眾多粒子的結(jié)構(gòu)和秩序促使了世界的形成

——Jalāl ad-Dīn ar-Rūmī

從猜想到可視

現(xiàn)代原子理論的誕生可以追溯到1800年左右約翰·道爾頓（John Dalton）的工作。他通過實(shí)驗(yàn)觀察得到了化合物中元素的恒定比例以及氣體的物理性質(zhì)等結(jié)果。在道爾頓公布結(jié)果后的幾十年里，懷疑的論調(diào)一直很強(qiáng)烈。例如，1871年，埃德蒙·米爾斯 （Edmund Mills） 嚴(yán)厲提出：“原子理論沒有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，與自然現(xiàn)象也不相符，是一種物質(zhì)至上的謬誤?！?/p>

正如弗里曼·戴森（Freeman Dyson）的名言：“科學(xué)起源于兩種古老傳統(tǒng)的融合。一種是古希臘的哲學(xué)思想傳統(tǒng)，另一種是歷史更為悠久并在中世紀(jì)歐洲盛行的工匠傳統(tǒng)。哲學(xué)提供了科學(xué)的概念，而工匠提供了研究的工具?！笔聦?shí)上，科學(xué)研究的工具最終解決了這場(chǎng)爭(zhēng)論。愛因斯坦對(duì)微觀布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的解釋是驗(yàn)證原子猜想的關(guān)鍵一步。

20世紀(jì)早期的物理學(xué)提供了物質(zhì)由原子構(gòu)成的確鑿證據(jù)，那時(shí)的物理學(xué)家也對(duì)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的觀測(cè)。在那個(gè)傳奇一般的時(shí)代，周期性晶體結(jié)構(gòu)的X射線散射實(shí)驗(yàn)無疑是原子理論發(fā)展的一個(gè)高潮，其發(fā)現(xiàn)者布拉格父子共同獲得了1915年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。理想周期性結(jié)構(gòu)可以在互易空間中表示固體，這塑造了以后的物理學(xué)家的思維方式。

原子的存在使我們思考這樣一個(gè)問題：人們可以一次只看到一個(gè)原子嗎？這個(gè)問題在20世紀(jì)中葉得到了解答。我們通過能清晰檢測(cè)電子發(fā)射的場(chǎng)離子顯微鏡獲得了第一批原子圖像。原子探針斷層掃描、掃描隧道顯微鏡 （STM） 和電子顯微鏡等技術(shù)也具有同樣的工作原理（見圖2）。

圖2 原子分辨率顯微鏡技術(shù)利用多種機(jī)制探測(cè)材料。在場(chǎng)離子顯微鏡（左）中，吸附的氣體分子（球體）被電離并被吸引到探測(cè)器上。原子探針斷層掃描利用的也是類似的原理。在掃描隧道顯微鏡（中）中，顯微鏡尖端在樣品上掃描，并監(jiān)測(cè)隧道電流以繪制樣品的表面圖像。在掃描透射電子顯微鏡（右）中，聚焦電子束從薄樣品中穿過

原子組裝的探索者

原子物理學(xué)在實(shí)驗(yàn)和理論方面的進(jìn)展促使科學(xué)家對(duì)原子可視化和原子組裝技術(shù)進(jìn)行探索。1959年，理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）在著名的演講《底下的空間還很大》中指出，如果我們想要控制單個(gè)原子，就需要更強(qiáng)大的電子顯微鏡，以及處理和存儲(chǔ)信息的更強(qiáng)能力?，F(xiàn)在，許多人開始意識(shí)到，原子控制技術(shù)可以為信息處理帶來更進(jìn)一步的發(fā)展。量子信息科學(xué)利用物質(zhì)和能量的量子化性質(zhì)以及相關(guān)的糾纏和疊加現(xiàn)象，來解決目前棘手的計(jì)算問題。單個(gè)原子處于量子位，如果正確排列和編碼原子，就可以通過大規(guī)模并行的方式接收、處理和傳輸量子信息。

費(fèi)曼說：“如果有我不能制造出來的東西，那一定是我還沒有理解它?！边@句話清楚地闡述了原子物理學(xué)可能面臨的下一個(gè)重大問題：如何逐個(gè)原子創(chuàng)造具有預(yù)定義功能的結(jié)構(gòu)？20世紀(jì)80年代，埃里克·德雷克斯勒（Eric Drexler）提出了一個(gè)具有足夠復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)的原子機(jī)器的概念。由于約翰·馮·諾依曼（John Von Neumann）的工作，這個(gè)想法已經(jīng)在科幻小說的世界里牢牢地占據(jù)了一席之地，比如德雷克斯勒的灰霧、阿拉斯泰爾·雷諾茲（Alastair Reynolds）的納米組裝機(jī)，以及電視節(jié)目《浩瀚無垠的神秘原分子》。然而，盡管在物理上看起來可行，但這類機(jī)器實(shí)際投入應(yīng)用的時(shí)間仍然遙遙無期。在戴森的理論框架下，分子機(jī)器和逐個(gè)原子組裝的思想已經(jīng)成熟，但科學(xué)家仍然缺乏必要的技術(shù)和工具。

掃描探針

20世紀(jì)80年代，掃描探針顯微鏡的出現(xiàn)為納米級(jí)成像和原子級(jí)組裝領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的推動(dòng)力。再加上蓋爾德·賓尼（Gerd Binnig）和海因里?！ち_雷爾（Heinrich Rohrer）于1981年發(fā)明的STM，表面科學(xué)領(lǐng)域的一系列問題從此都有了新的解決方案。這些儀器還預(yù)示著對(duì)原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像的桌面規(guī)模儀器的出現(xiàn)。

STM的基本工作原理是基于電子隧穿的量子力學(xué)現(xiàn)象。鋒利的尖端靠近表面，施加的電壓使電子穿過間隙，從而產(chǎn)生反映表面形狀和電子特性的可測(cè)量電流。STM使量子物理學(xué)變得觸手可及。幾年后，原子力顯微鏡（AFM）誕生，它使用安裝在可彎曲懸臂上的尖端探測(cè)磁、電、傳輸過程和機(jī)電現(xiàn)象，為探索納米世界打開了大門。

1989年，唐·艾格勒（Don Eigler）在銅表面上的氙原子中刻印字母I、B、M ，展示了使用STM 探針的原子級(jí)操作。他的工作對(duì)科研領(lǐng)域和普羅大眾都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，這樣的操作首次展示了單原子可視化以及控制單原子的能力——這是對(duì)費(fèi)曼提出的設(shè)想的直接回應(yīng)。

在艾格勒的實(shí)驗(yàn)之后的二十多年里，由于建造和操作低溫STM機(jī)器存在困難，也缺乏直接的實(shí)際應(yīng)用，該領(lǐng)域一直十分冷門。但現(xiàn)在量子計(jì)算和量子信息系統(tǒng)正處于科學(xué)研究的前沿，基于STM的單原子操作是少數(shù)可以創(chuàng)建原子級(jí)精確結(jié)構(gòu)的方法之一。例如，凱恩量子計(jì)算架構(gòu)對(duì)精確定位同位素純化硅內(nèi)部的單個(gè)原子就有很高的要求。幾個(gè)科研小組在制造和生產(chǎn)此類設(shè)備方面取得了令人興奮的進(jìn)展，特別是由澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)的米歇爾·西蒙斯（Michelle Simmons）及同事開發(fā)的使用單個(gè)磷原子的設(shè)備。

與上述結(jié)果一樣令人印象深刻的是，原子操作仍然只能發(fā)生在超高真空室內(nèi)的表面上。在現(xiàn)實(shí)世界中，大氣分子和表面污染會(huì)迅速壓垮單原子設(shè)備。顯然，解決方案是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，但這個(gè)過程也有其自身的困難——這需要復(fù)雜的表面化學(xué)和集成策略。因此，問題仍然存在：是否可以可視化材料中的所有原子，探索它們的動(dòng)力學(xué)規(guī)律和功能，并將它們排列成所需的模式？

掃描光束

STM的主要限制是使用能量很低的電子，這些電子在幾何上被尖端限制到遠(yuǎn)低于其特征波長(zhǎng)的長(zhǎng)度。另一種解決方法方法是減少電子的波長(zhǎng)，類似于光學(xué)成像。透射電子顯微鏡 （TEM） 由馬克斯·克諾爾（Max Knoll）和恩斯特·魯斯卡（Ernst Ruska）于20世紀(jì)30年代發(fā)明。魯斯卡也因其工作于 1986年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在該技術(shù)中，相對(duì)較大的樣品區(qū)域被具有接近平行軌跡的電子束照亮。一系列電磁放大鏡放大透射波，在熒光檢測(cè)器屏幕上形成圖像。

掃描透射電子顯微鏡（STEM）與TEM密切相關(guān)，單個(gè)顯微鏡通常可以在這兩種模式下工作。STEM和掃描電子顯微鏡（SEM）的發(fā)明很大程度上歸功于曼弗雷德·馮·阿登（Manfred von Ardenne）在20世紀(jì)30年代的工作；現(xiàn)代形式的 STEM 由阿爾伯特·克魯（Albert Crewe）在20世紀(jì)70年代進(jìn)行了優(yōu)化。

STEM可以被認(rèn)為上下翻轉(zhuǎn)和高度聚焦的TEM。光學(xué)放大器件位于樣品前面，它們將原子大小的電子束（探針）投射到樣品上，通過記錄光束在樣品上掃描時(shí)的散射強(qiáng)度形成圖像。相比TEM，STEM在成像方面的主要優(yōu)點(diǎn)是：高角度散射的電子給出的圖像主要取決于原子序數(shù)Z。因此，Z對(duì)比圖像可以近似解釋為直接映射樣品中的原子核的位置。這幾項(xiàng)技術(shù)上的進(jìn)步使得現(xiàn)代STEM儀器成為可能。其中，最主要的技術(shù)進(jìn)步是像差校正。

關(guān)于最終可實(shí)現(xiàn)何種成像分辨率的問題，科學(xué)家至今仍有爭(zhēng)議。根據(jù)光學(xué)顯微鏡的原理，照明波長(zhǎng)應(yīng)該小于要分辨的物體的大小，這似乎是順理成章的事情。因此，高能電子束的短德布羅意波長(zhǎng)（通常為幾皮米）和使用電場(chǎng)或磁場(chǎng)精確聚焦這些光束的能力，使電子顯微鏡成為直接成像單個(gè)原子的最有前景的儀器。（有趣的是，發(fā)明者魯斯卡和克諾爾當(dāng)時(shí)似乎并沒有意識(shí)到電子的波性質(zhì)。）

然而，在實(shí)踐中，現(xiàn)代電子顯微鏡的鏡頭總是會(huì)出現(xiàn)像差，這些缺陷是限制設(shè)備分辨率的主要因素。在20世紀(jì)30年代和40年代，奧托·謝爾澤（Otto Scherzer）證明，像差是不可避免的。但他也指出了幾種可以減輕像差的方法。最有效的方法是使用一系列具有不同對(duì)稱性的電磁場(chǎng)來塑造和修改光束。因此，當(dāng)代的像差校正器是十分復(fù)雜的系統(tǒng)，其顯微鏡柱上有額外的元素。正是因?yàn)橄癫钚Ｕ鳎恼麻_頭的圖像中的柱子才會(huì)那么高。

事實(shí)證明，建造像差校正器非常繁瑣，以至于多年來人們一直擔(dān)心，這是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。每個(gè)鏡頭都必須精確對(duì)齊、動(dòng)態(tài)調(diào)整，以補(bǔ)償變化的外界條件，同時(shí)保持極其穩(wěn)定的狀態(tài)。在單個(gè)原子的成像過程中，即使是雜散場(chǎng)、混亂電源或氣壓變化造成的微小不穩(wěn)定性也可能是災(zāi)難性的。變量的數(shù)量之多使得科學(xué)家難以跟蹤所有元素，因此定量化計(jì)算機(jī)控制和校準(zhǔn)必不可少。

像差校正器在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初開發(fā)成功。它徹底改變了電子顯微鏡領(lǐng)域，單個(gè)原子的成像現(xiàn)在已經(jīng)成為常規(guī)了。為了表彰這一進(jìn)步，2020年的卡弗里獎(jiǎng)授予了兩項(xiàng)科研成果——一項(xiàng)由昂德里·克里瓦那克（Ondrej Krivanek）領(lǐng)導(dǎo)的 STEM項(xiàng)目，另一項(xiàng)則是由克努特·烏爾班（Knut Urban）、哈拉爾德·羅斯（Harald Rose）和馬克西米利安·海德爾（Maximilian Haider）領(lǐng)導(dǎo)的TEM項(xiàng)目。

除了提供相關(guān)的原子核位置的結(jié)構(gòu)信息外，通過樣品傳輸?shù)氖娮舆€會(huì)與樣品的電子相互作用。在光束和樣品電子交換能量后，電子光譜儀中的磁棱鏡可以將出射光束分散到對(duì)位置十分敏感的探測(cè)器上，給出電子能量損失譜 （EELS）。EELS可以提供有關(guān)成分、化學(xué)鍵和電氣結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。

EELS的能量分辨率主要受電子束能量擴(kuò)散的限制。我們可以在電子到達(dá)樣品之前去除能量過多或過少的電子來減少擴(kuò)散。這個(gè)去除過程稱為電子單色，從電子顯微鏡的發(fā)展早期就已開始使用，并取得了令人矚目的結(jié)果。但它也減少了光束中的電子數(shù)量，并且由于實(shí)驗(yàn)限制，早期的去除過程通常會(huì)降低信號(hào)的空間分辨率。

新一代電子單色儀，特別是由克里瓦那克及其同事開創(chuàng)的電子單色儀已經(jīng)減輕了這些問題。與像差校正器配合使用時(shí)，這些設(shè)備能夠以前所未有的能量和空間分辨率進(jìn)行微分析。鑒于EELS反映了材料的振動(dòng)和電子特性，單色改進(jìn)為生物、化學(xué)和物理應(yīng)用開辟了新的前景。對(duì)結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行原子級(jí)的測(cè)量成為可能，并且正在不斷發(fā)展當(dāng)中。

正如STEM的先驅(qū)人物米克·布朗（Mick Brown）在他1997年的論文中描述的那樣，具有這些功能的像差校正STEM設(shè)備本質(zhì)上是“顯微鏡中的同步加速器”。在之后的幾年中，實(shí)驗(yàn)也證明了其獲得原子級(jí)分辨率光譜和從單個(gè)原子中獲得光譜的能力。

從影像到知識(shí)

在過去十年左右的時(shí)間里，STEM 在分辨率、功能和靈敏度方面的進(jìn)步已經(jīng)將該技術(shù)從單純的成像系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远糠治龅墓ぞ摺Ｋ芤云っ准?jí)精度表征原子結(jié)構(gòu)，觀察外部刺激下的結(jié)構(gòu)演變，并使用 EELS 給出有關(guān)局部功能的信息?，F(xiàn)在，檢測(cè)器技術(shù)的發(fā)展允許在每個(gè)探頭位置記錄衍射圖案。因此，以原子分辨率記錄散射信息從而生成具有實(shí)空間和倒易空間信息的多維數(shù)據(jù)成為可能。

新的數(shù)據(jù)流對(duì)記錄和分析的方法提出了挑戰(zhàn)。與體積散射法信息在介觀體積上被平均不同，STEM 可以從多個(gè)分離的位置獲得不同的數(shù)據(jù)。因此，它需要可以解釋和壓縮信息并將其與宏觀性質(zhì)和功能相關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)工具。盡管在凝聚態(tài)物理學(xué)中不常見，但這種方法經(jīng)常用于其他領(lǐng)域，例如天文學(xué)。如果完全采用這樣的方法，我們可以得到有關(guān)固體的化學(xué)和物理功能的大量信息，范圍從缺陷平衡和固態(tài)反應(yīng)到鐵質(zhì)、電荷有序和磁畸變的性質(zhì)。

定量光譜學(xué)的進(jìn)步為通過 EELS、多維散射數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)圖像中的光譜特征探索量子現(xiàn)象打開了大門。將大量的數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)并濃縮為可壓縮、可解釋的信息，需要將材料功能與簡(jiǎn)化的描述聯(lián)系起來，還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及不確定性進(jìn)行反演，以恢復(fù)我們需要的物理功能。

一旦這種數(shù)據(jù)分析方法可用，研究人員就可以探索材料功能的原子級(jí)起源。當(dāng)然，對(duì)于許多現(xiàn)象，這樣的分析過程并不容易。例如，在聲子和等離子體測(cè)量中，局部準(zhǔn)粒子比光束大得多，因此在光束尺度上，圖像背后的相互作用是整體的而非局部的。同樣，在多維 STEM 中，測(cè)量過程將受到光束形狀和像差的強(qiáng)烈影響。

所有這些困難都是可以克服的。而且，按照費(fèi)曼的邏輯，可能會(huì)有進(jìn)一步的發(fā)展——即從理解預(yù)先存在的原子配置轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸庾R(shí)地對(duì)其進(jìn)行逐個(gè)原子構(gòu)建。

從實(shí)驗(yàn)室到工廠

在像差校正出現(xiàn)之前，在 TEM 和 STEM 中實(shí)現(xiàn)更好分辨率的主要方法是增加顯微鏡中使用的加速電壓，從而提供更短的電子波長(zhǎng)。這種方法的問題在于，在一次碰撞中可以直接傳遞給原子核的動(dòng)能增加了，這增加了對(duì)樣品的損害。像差校正器的出現(xiàn)，使 STEM 成為材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理和高分辨率光譜學(xué)的首選技術(shù)。而且，更重要的是，它使我們可以在各種條件下對(duì)單個(gè)原子進(jìn)行常規(guī)可視化。

在過去的幾年中，低壓像差校正顯微鏡的進(jìn)步引導(dǎo)了對(duì)光束敏感材料的眾多研究。它們還為探索光束引起的材料微變化和局部化的機(jī)制打開了大門，而這些過程通常發(fā)生在原子或單化學(xué)鍵的尺度上。在許多情況下，變化發(fā)生得非常慢，以至于系統(tǒng)的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)都可以可視化。我們可以通過調(diào)整光束參數(shù)（例如電壓和電流）來控制感應(yīng)變化的速率，這樣的措施相當(dāng)有用。這些能力促使研究人員積極追求直接的原子制造技術(shù)：將電子束與基于圖像或光譜的反饋相結(jié)合，成為操縱原子和創(chuàng)建原子級(jí)結(jié)構(gòu)的一種手段。

圖3 使用電子束可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)操作。這里，石墨烯片中的硅原子簇被創(chuàng)建并得到了修正

基于STEM和STM的原子級(jí)操作策略可以說各有優(yōu)勢(shì)。STEM中的電子束可以引起材料內(nèi)部的變化，而STM僅與最頂層的原子相互作用，因此需要干凈的原子級(jí)平面。STEM還能提供比STM更直接的原子結(jié)構(gòu)圖像，因?yàn)樗鼘?duì)原子核十分敏感，而STM則可以提供電子密度圖。基于STM的原子制造需要表面科學(xué)策略來鈍化、去鈍化以及保護(hù)表面。STEM可以在樣品周圍提供更高水平的環(huán)境控制——引入氣體甚至液體來誘導(dǎo)和控制一系列材料轉(zhuǎn)變。在實(shí)踐中，大多數(shù) STEM樣品必須是相對(duì)較薄的薄膜，通常小于100納米。這是研究和開發(fā)二維材料的完美實(shí)驗(yàn)空間，例如石墨烯或三維材料的超薄懸浮層。與STM不同，STEM可以在很寬的溫度范圍內(nèi)提供高分辨率成像和光譜學(xué)，因此允許使用溫度作為調(diào)節(jié)參數(shù)來允許或禁止某些轉(zhuǎn)換。最新的STEM技術(shù)允許人們?cè)趲组_爾文到超過1 000開爾文之間的任何溫度狀態(tài)下進(jìn)行操作。人們?cè)诘蜏丨h(huán)境下研究量子現(xiàn)象；而在高溫環(huán)境中，缺口和摻雜成分可以很容易擴(kuò)散，也更容易被光束移動(dòng)。

迄今為止，我們可以進(jìn)行以下四種不同類型的操作：控制二維材料中的單個(gè)空位、原子和多原子復(fù)合物；控制三維材料中的單個(gè)重原子；空位有序或局部非晶-結(jié)晶轉(zhuǎn)變的相變；添加或移除材料。在堆疊和扭曲的二維材料的背景下，可能會(huì)出現(xiàn)有趣的結(jié)果，比如局部光束引起的變化可能導(dǎo)致摩爾紋材料的出現(xiàn)，這為鄰近效應(yīng)相關(guān)的物理學(xué)開辟了新的前景。

值得注意的是，電子束修正可以在從納米到埃的長(zhǎng)度尺度上進(jìn)行，這樣的操作跨越了傳統(tǒng)光刻和單原子操作所覆蓋的范圍。一些修正類似于大規(guī)模電子束制造或傳統(tǒng)光刻中可能出現(xiàn)的修飾。原子光束定向的重新定位可能最類似于使用STM移動(dòng)原子并組裝多原子結(jié)構(gòu)的過程。

光束中的實(shí)驗(yàn)室

在不久的將來，研究人員或許能夠逐個(gè)原子修改材料，探索和定義它們的量子特性，并在光束中實(shí)現(xiàn)所謂的量子實(shí)驗(yàn)室。這種能力代表著由STEM進(jìn)步帶來的納米科技的融合與創(chuàng)新。我們將能夠以近原子分辨率實(shí)現(xiàn)重要的電、磁和光學(xué)特性的可視化，并將增加對(duì)反應(yīng)、局部環(huán)境和化學(xué)物質(zhì)的控制能力。將這些新興能力與提供實(shí)時(shí)反饋和分析的機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)步相結(jié)合，可以讓我們從控制原子的過程中實(shí)現(xiàn)某些物理功能——這是納米和原子尺度科學(xué)的一場(chǎng)革命。

光束實(shí)驗(yàn)室在變得逐漸普遍、常規(guī)和容易理解的過程中，甚至有可能一步步進(jìn)入制造業(yè)。“光束中的工廠”可能成為量子信息科學(xué)的設(shè)備制造及應(yīng)用開發(fā)流程的關(guān)鍵組成部分（見圖4）。

圖4 光束中的實(shí)驗(yàn)室將許多功能集成到一個(gè)設(shè)備中。a.在微觀尺度上，激光可以加熱、雕刻、分析或激發(fā)材料。b.在原子尺度上，可以用電子束插入并操縱單個(gè)原子。電極可用于控制或測(cè)量納米器件

科技的進(jìn)步需要多個(gè)學(xué)科的廣泛整合。盡管在原子工程系統(tǒng)中使用量子器件、探索量子現(xiàn)象是電子束操縱的直接目標(biāo)，但此類器件的創(chuàng)建需要STEM和半導(dǎo)體技術(shù)的集成。

隨著表面化學(xué)控制變得越來越重要，我們對(duì)樣品制備的要求也更加苛刻。許多相關(guān)的技術(shù)限制在其原本所在領(lǐng)域是眾所周知和可被理解的，但在電子顯微鏡領(lǐng)域，我們還并沒有對(duì)此產(chǎn)生充分的認(rèn)知。我們需要結(jié)合表面科學(xué)的研究方法，輸送和控制摻雜成分。最終，真正的原子級(jí)制造過程可能需要結(jié)合和利用具有不同優(yōu)勢(shì)的三種方法：STM、STEM和傳統(tǒng)的納米制造技術(shù)。

數(shù)據(jù)和信息處理設(shè)備也是必不可少的。正如計(jì)算機(jī)控制對(duì)于像差校正至關(guān)重要一樣，對(duì)于光束實(shí)驗(yàn)室的功能，它也同樣不可或缺，比如具有自動(dòng)漂移校正的實(shí)時(shí)光束控制、基于壓縮傳感和非線性的低劑量成像掃描，以及基于深度學(xué)習(xí)的實(shí)時(shí)圖像分析和反饋。數(shù)據(jù)傳輸率、中央和圖形處理單元的可用性以及實(shí)時(shí)反饋是對(duì)儀器開展進(jìn)一步設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考慮因素。

電子束制造的成品是否可以按比例放大從而得到實(shí)際應(yīng)用？這也是個(gè)很有意思的問題。這樣的系統(tǒng)似乎具有比掃描探針的操作低得多的固有延遲。但即使對(duì)每束電子每秒進(jìn)行數(shù)十或數(shù)百次操作，這樣的技術(shù)也很難應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。

在量子系統(tǒng)中，不多的成分就能產(chǎn)生真正的影響。有時(shí)，幾種常見的元素就足夠了。在某些情況下，預(yù)計(jì)大約50個(gè)無錯(cuò)誤的量子位就可以與最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)相抗衡。就像酶催化的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可以實(shí)現(xiàn)生物信號(hào)的復(fù)制功能一樣，基本元素的原子制造和基于化學(xué)復(fù)制的結(jié)合可能會(huì)為大規(guī)模生產(chǎn)開辟一條新的道路。

同樣重要的是光束-固體相互作用的基礎(chǔ)理論的發(fā)展。盡管支撐STEM圖像和EELS形成的電子散射理論得到了很好的發(fā)展，但電子束引起的固體變化仍然存在很多未知。已知能量的電子能夠以原子級(jí)精度傳遞到晶格的選定部分——盡管目前沒有等效的垂直分辨率——但我們?nèi)圆磺宄@一過程可能引起的變化類型。多階段過程包括電子和原子核之間的能量轉(zhuǎn)移，以及潛在的局部鍵合、離域?qū)щ娮酉到y(tǒng)和核心電子激發(fā)的動(dòng)態(tài)演化。對(duì)于潛在的機(jī)制，我們很難建模，因?yàn)樗鼈兛赡芸缭蕉鄠€(gè)數(shù)量級(jí)的能量和時(shí)間。

逐個(gè)原子創(chuàng)建量子結(jié)構(gòu)，將其可視化，并在光束實(shí)驗(yàn)室中探索它們的功能，這些可能的操作使得該領(lǐng)域十分迷人。我們的操作越精確，對(duì)這一領(lǐng)域的理解就越深。

資料來源 Physics Today