STM的应用
stm在生物医学领域的应用
stm在生物医学领域的应用
STM（扫描隧道显微镜）在生物医学领域有着广泛的应用，以下是其主要的应用领域：
1.实时观察生物分子：STM使人类第一次能够实时地观察单个
原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，这一技术可以用于研究生物分子的电子传输及电荷转移等重要生物化学过程，从而了解生物分子的行为。
2.癌症诊断：核磁共振成像（MRI）是一种利用核磁共振原理进
行影像采集的非侵入式检查方法，近年来在癌症的诊断与研究中取得了瞩目的成果。
通过MRI，我们可以获取人体内部的详细信息，对于癌症的诊断和治疗具有重要的意义。
3.干细胞治疗：造血干细胞移植可以治疗白血病，抗击免疫排
斥反应，帮助重建造血系统等。
干细胞还可以作为抗肿瘤药物载体，精准有效送达抗肿瘤药物，精准杀灭癌细胞。
再加上干细胞，尤其是间充质干细胞的免疫调节作用，可以减缓癌症进展。
这些特性都使得干细胞成为了抗癌新策略。
总的来说，STM和核磁共振成像、干细胞移植等技术都是生物医学领域的重要应用，它们为疾病的诊断和治疗提供了新的思路和方法。
STM技术在材料科学中的应用
STM技术在材料科学中的应用随着科学技术的发展，人们对材料性质的研究也越来越深入。
STM技术是一种利用原子尖探针扫描样品表面的非常有用的工具，它已经成为材料科学中必不可少的一部分。
本文将探讨STM技术在材料科学中的应用。
一、STM技术与表面形貌STM技术是一种非常高分辨率的表面成像技术，能够帮助人们观察材料表面的形貌。
STM技术通过在材料表面扫描原子尖探针，可以测量出材料表面的高度变化和局部结构。
这些信息对于了解材料表面的化学和物理性质非常重要。
例如，通过使用STM技术，科学家们可以观察到金属表面上的原子结构，测量出金属表面的晶格常数和表面势垒等。
这些信息可以用来研究金属表面的化学反应和催化机理，从而为制造高效的催化剂提供理论基础。
此外，STM技术还可以用来观察生物分子在材料表面上的吸附行为。
例如，科学家们可以利用STM技术观察DNA分子在金表面的吸附情况，从而进一步研究DNA与金属表面的相互作用。
二、STM技术与表面化学反应除了观察材料表面的形貌外，STM技术还可以用来研究表面化学反应。
例如，在观察金属表面时，科学家们可以利用STM技术在金表面上添加气体分子，然后观察它们在表面上的反应。
这种反应可以用来研究金表面和气体分子之间的相互作用，从而更好地理解催化反应的机理。
此外，STM技术也可以用来研究材料表面的生长和熔融行为。
例如，在观察半导体薄膜生长时，科学家们可以利用STM技术直接观察到半导体原子在表面上的序列和自组装过程，从而更好地理解薄膜生长的机理和能量变化。
三、STM技术与材料性质最后，STM技术还可以用来研究材料的电子性质和磁性质。
例如，在观察半导体材料时，科学家们可以利用STM技术观察到半导体表面的能带结构和局部电荷分布，从而对材料的光电性质和导电性质进行研究。
此外，STM技术还可以用来观察磁性材料上的磁性域和磁性反转现象。
例如，在观察铁磁材料时，科学家们可以利用STM技术观察到铁磁材料表面的磁性域和磁性反转现象，从而更好地理解铁磁材料的磁性能和磁性相互作用。
STM技术在化学分析中的应用
STM技术在化学分析中的应用随着科技的飞速发展，各行各业都在不断地通过新技术的应用来提高工作效率和结果的准确性。
化学分析作为科学研究的基础，对所用技术的要求更是严格。
在这个领域中，STM技术的应用正在逐渐发挥重要作用，并引起了越来越多的关注。
STM技术全称为扫描隧道显微镜技术，是一种在原子尺度下观察和操作的技术。
该技术基于隧穿效应，利用电场的调控来感测在样品表面上的原子尺度下的几何和电子结构信息。
在化学分析中，STM技术能够通过扫描和感应，实现对样品表面的成分和微观结构的分析，从而得到更加精准和全面的数据结果。
首先，STM技术在表面化学分析中的应用广泛。
在表面化学分析中，对样品的表面成分和结构进行准确的分析是非常重要的。
STM技术能够通过扫描样品表面，并在扫描过程中获得样品表面的三维图像，以及各个区域的局部密度和电荷状态等信息。
通过这种方法，STM技术可以清晰地显示出样品表面上的晶体缺陷、表面吸附和分子吸附等细节，从而准确地分析样品的组成和表面结构。
其次，STM技术在纳米材料研究中也具有重要意义。
纳米材料是指粒径在1~100纳米之间的材料，它具有体积小、表面大、半导体性能、量子效应等独特特性，在材料科学研究和应用中具有重要的潜力。
不同于传统的材料分析方法，STM技术可以对纳米尺度下的材料进行直接的观察和成分分析。
例如，通过利用STM 技术对纳米金属颗粒进行原子级别的成分分析、表面结构分析，可以为研究纳米金属的特性和应用提供重要的基础数据。
最后，STM技术在生命科学中的应用也逐渐受到关注。
生命科学研究中，对生物和分子的精细化学结构分析是非常重要的。
STM技术通过在纳米级别下的成分和结构的分析，可以在生命科学领域中提供更加精确的数据结果，如扫描生物分子的反应动力学和互作机制等。
例如，利用STM技术进行蛋白质的深度解码可以揭示蛋白质内部的结构和运动信息，有望为生物医学研究提供新的突破。
总的来说，STM技术作为一种能够直接在原子尺度下观察和分析的技术，在化学分析中发挥着越来越重要的作用。
STM系列微控制器的功能和应用介绍
STM系列微控制器的功能和应用介绍STM系列微控制器是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的一系列高性能、低功耗的微控制器产品。
得益于其强大的处理能力和丰富的功能，STM系列微控制器在各个领域的应用中广泛被采用。
本文将对STM系列微控制器的功能和应用进行详细介绍。
一、STM系列微控制器的功能特点1. 强大的处理能力：STM系列微控制器采用了先进的处理器核心，包括ARM Cortex-M系列等，具有高性能和低功耗的特点。
这些处理器核心配备了丰富的指令集和高效的执行单元，能够满足各种复杂任务的处理需求。
2. 丰富的外设接口：STM系列微控制器内置了大量的外设接口，包括通用输入输出引脚（GPIO）、模拟和数模转换器（ADC和DAC）、通用串行总线接口（SPI、I2C、USART等）等。
这些外设接口可以连接各种传感器、执行器和外部设备，实现与外界的通信和控制。
3. 多种存储器选项：STM系列微控制器提供了多种存储器选项，包括闪存、RAM和EEPROM等。
闪存用于存储程序代码和数据，RAM用于临时数据存储，而EEPROM可用于非易失性数据存储。
这些存储器选项满足了不同应用场景下的数据存储需求。
4. 丰富的调试和开发工具：STM系列微控制器提供了丰富的调试和开发工具，包括调试接口、开发板、软件开发工具等。
这些工具能够帮助开发人员进行软硬件调试、编程和仿真，提高开发效率和质量。
二、STM系列微控制器的应用领域1. 工业自动化：STM系列微控制器在工业自动化领域中应用广泛。
它们可以用于控制各种工控设备，如PLC、机器人、传感器等。
其强大的处理能力和丰富的外设接口使得STM系列微控制器能够满足各种复杂的控制需求。
2. 智能家居：STM系列微控制器可以应用于智能家居系统，实现对灯光、空调、安防等设备的智能控制。
其低功耗和高性能的特点使得微控制器能够在智能家居系统中起到节能和提升用户体验的作用。
扫描隧道显微镜在纳米技术中的应用
扫描隧道显微镜在纳米技术中的应用随着科技的发展，纳米技术在当今社会中已经变得越来越重要。
而扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM）便是纳米技术中的一种重要手段。
本文将会从以下几个方面来阐述STM在纳米技术中的应用。
一、STM的原理和结构STM是由希伯来大学的Gerd Binnig和Heinrich Rohrer于1981年发明的。
其结构比较简单，主要由两个部分组成：一根锥形的导电探针和一个样品平台。
导电探针的锥面非常锐利，仅有数个原子的大小。
当导电探针极其靠近样品表面时，会产生微小的电子跃迁效应，从而产生电流。
STM可以通过量化地测量电流来检测样品表面的拓扑结构，并以此来产生图像。
二、STM在纳米材料制备中的应用纳米材料制备是纳米技术中的核心之一。
STM可以直接控制原子在样品表面的排列顺序，因而可以用来制备纳米材料。
在该过程中，导电探针和样品表面之间的电场可以被用来操控原子的位置。
例如，在银原子上加上一些电子束可以使银原子向某个方向移动。
这种自组装技术可以用来制备出复杂的纳米结构。
三、STM在表面分析中的应用STM可以扫描物体表面，获取图像并分析物体表面的结构和性质。
通过APM，人们可以了解到各种表面微观形貌和结构的变化，如表面的缺陷、原子和分子的位置、晶格、晶体缺陷瑕疵等等。
四、STM在化学反应动力学中的应用STM可以被用来研究物质表面化学反应。
例如，在催化剂表面，STM可以直接观察到化学反应的过程，由此可以提供反应动力学的信息。
STM还可以使用电子激发的光电子激发技术，确定反应物、中间体、和反应产物的结构和光谱性质。
五、STM在生物学中的应用STM在生物学中被用来观测蛋白质、DNA和其他生物大分子。
根据生物大分子的光学性质，STM可以揭示这些分子的三维结构，从而帮助科学家研究生物学中重要的分子运动和交互作用等。
六、未来STM的发展STM在纳米技术中的应用已经为科学家们所熟知。
扫描隧道显微镜在纳米结构研究中的应用
扫描隧道显微镜在纳米结构研究中的应用近几十年来，随着科学技术的迅猛发展，纳米科学和纳米技术已经成为研究热点领域。
而在纳米结构的研究中，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）作为一种重要的表征工具，发挥着重要的作用。
本文将重点探讨STM在纳米结构研究中的应用。
首先，我们需要了解STM的工作原理。
STM利用了量子力学中的一种隧穿效应，即电子能够以概率的方式通过与之隔绝的绝缘体。
具体而言，STM利用了尖锐的金属探针和样品表面之间的隧道效应。
当施加一个微小的电压差时，电子将以概率的方式穿过探针和样品之间的隔离区域。
通过测量隧穿电流的强度，可以得到样品表面的拓扑特征和电子密度分布。
在纳米结构的研究中，STM的应用是多方面的。
首先，STM可以提供纳米尺度下的表面拓扑信息。
由于STM具有亚埃级甚至原子级的分辨率，因此可以清晰地观察到纳米结构表面的形貌。
这对于纳米材料的形态学分析以及纳米加工技术的发展具有重要意义。
其次，STM还可以用于研究纳米结构的电子性质。
通过测量隧穿电流的变化，可以了解样品表面的电子密度分布以及能级结构。
这对于了解纳米材料的电子输运性质和电子能级的分布具有重要意义。
此外，STM还可以提供纳米结构的电导率、阻抗和热电性能等电子性质的信息。
此外，STM还可以用于研究纳米结构的表面化学性质。
通过在STM探针的尖端修饰上引入特定的化学功能基团，可以实现对纳米结构表面化学反应的观察。
通过测量隧穿电流的变化，可以研究纳米结构表面化学反应的动力学行为以及反应产物的形成。
这对于了解纳米材料的化学反应机理以及开展纳米材料的表面修饰和功能化具有重要意义。
同时，STM还可以用于纳米结构的操控和加工。
通过控制STM探针与样品表面的距离和施加的电压，可以实现对纳米结构的定向运动和改变形态。
这对于纳米加工技术和纳米器件的制备具有重要意义。
通过STM的操控，可以实现纳米线、纳米颗粒、纳米点等纳米结构的制备和排列。
STM的原理和应用
STM的原理和应用STM（Scanning Tunneling Microscope），扫描隧道显微镜，是一种利用量子力学原理研究物质表面性质的高分辨率成像仪器。
STM的工作原理基于电子的量子隧穿效应，通过探针与样品表面之间的隧穿电流来获取样品表面的拓扑信息，从而实现纳米级别的三维成像。
STM的应用非常广泛，在物理学、化学、生物学等领域都有重要的研究价值。
STM的工作原理可简述为：在STM中，有一个微细的金属探针（Tip）和样品表面之间保持非常近的距离（通常为纳米级别）。
当给定一个小的电压差（通常为几毫伏到几电压之间）时，形成的隧穿电流会随着两个不同位置之间的距离变化而变化。
通过控制探针位置，可以测量电流的变化，并映射到样品表面的形貌上。
通过扫描探针的位置，可以得到样品表面的拓扑信息。
STM的成功应用离不开以下几个关键技术：1.原子力探测：STM使用了一个非常锋利尖端的金属探针，可以感知样品表面的原子力，从而获得样品表面的拓扑信息。
这种技术在纳米尺度下非常有效，可以得到非常高分辨率的图像。
2.量子隧穿效应：在STM中，探针和样品表面之间形成的微小隧穿电流是基于量子力学的隧穿效应。
这种效应使得STM可以在非常小的尺度下进行高分辨率成像，并且可以探测到样品表面的微观结构和性质。
3.负反馈控制：为了保持探针和样品表面的距离保持稳定，STM使用了负反馈控制系统。
这个系统会根据探针和样品表面之间的隧穿电流的变化来调整探针的位置，使得电流保持在一个恒定的水平，从而得到稳定的成像结果。
STM在科学研究中有着广泛的应用，包括以下几个方面：1.表面科学研究：STM可以实现对材料表面结构的高分辨率成像，并且可以通过控制探针的位置来控制表面结构。
这为理解材料的表面性质和表面反应过程提供了重要的手段。
2.纳米技术研究：STM可以进行纳米级别的成像和加工，可以用于纳米材料的制备、纳米器件的设计和纳米材料的研究等方面。
它在纳米技术研究中发挥了重要作用。
stm32用于工业自动化的例子
stm32用于工业自动化的例子
STM32微控制器在工业自动化领域有着广泛的应用。
下面我将
从多个角度来介绍一些STM32在工业自动化中的应用示例。
1. 控制系统，STM32可以用于控制系统中的各种传感器和执行器，比如温度传感器、压力传感器、电机驱动器等。
通过STM32的
高性能和丰富的外设接口，可以实现精确的控制和监测，从而提高
工业自动化系统的效率和稳定性。
2. 通信接口，STM32支持多种通信接口，包括UART、SPI、I2C、CAN等，这些接口可以用于工业自动化系统中不同设备之间的数据
交换和通信。
比如，可以通过CAN总线实现工业设备之间的实时数
据传输，通过Ethernet接口实现设备与上位机的远程监控和控制。
3. 实时控制，工业自动化系统通常需要实时响应和控制，
STM32系列微控制器具有较低的延迟和高的时钟频率，能够满足工
业自动化系统对实时性能的要求。
同时，STM32系列还支持实时操
作系统（RTOS），可以更好地管理系统资源和任务调度。
4. 数据处理和存储，工业自动化系统通常需要对大量的数据进
行处理和存储，STM32微控制器内置的高性能处理器和丰富的存储器可以满足这一需求。
同时，STM32还支持外部存储器接口，可以扩展系统的存储容量。
总的来说，STM32在工业自动化领域的应用非常广泛，可以用于各种工业控制系统、智能仪表、工业机器人、自动化生产线等领域。
通过充分发挥STM32微控制器的性能和丰富的外设接口，可以实现高效、稳定和灵活的工业自动化解决方案。
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图 3 STM 的结构
2.3 STM 的工作方式 STM 有两种工作方式。
图 4 恒流模式
2.3.1 恒电流模式
图 5 恒高模式
如图 4 所示，利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ，使其保持恒定。再通过计 算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿 x、y 两个方向作二维运动。由于要
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The Working Principle And Application of Scanning Tunneling Microscope
扫描隧道显微镜的原理及应北京大学化学与分子工程学院
摘要
扫描隧道显微镜（STM）的发明打开了人类对微观世界观 察的大门，使得人类在纳米尺度上研究单一原子以及单一 分子的反应成为可能。本文回顾了扫描隧道显微镜的发明 过程，总结了它的工作原理，并展望了它在化学、生物等 领域中的应用。 扫描隧道显微镜 STM 原理 应用
如果除去这首诗中的神秘主义和宗教意味，那么它恰好与微观世界的某些特点不 谋而合。一朵花由无数个结构精巧的细胞构成，其复杂程度足以称得上“世界”。但 由于人类生理上的限制，仅凭肉眼是不可能分辨这微观的“世界” 的。然而，从古至 今，人们一直没有放弃对微观世界的探索。1674 年，荷兰人列文虎克（Anthony Van Leeuwenhoek ，1632-1723）发明了光学显微镜，并利用这台显微镜首次观察到了血红 细胞。1931 年德国科学家 Ernst Ruska 和 Max Knoll 根据磁场可以会聚电子束的原理 发明了电子显微镜。电子显微镜一出现即展现了它的优势，电子显微镜的放大倍数提 高到上万倍，分辨率达到了 10-8m。在电子显微镜下，比细胞小的多的病毒也露出了原 形。人们的视觉本领得到了进一步的延伸。但电子显微镜存在着很多不足，高速电子 容易透入物质深处，低速电子又容易被样品的电磁场偏折，故电子显微镜很少能对表 面结构有所揭示，表面物理的迅速发展又急需一种能够观测物质表面结构的显微术 . 在人类进入了原子时代的今天，科学技术的发展呼唤着更加精确、分辨率更高的仪器 的发明和面世。 正象绝大多数科学的新发现和新发明都具有其偶然性和必然性一样，当二十世纪 七十年代末德裔物理学家葛•宾尼(Gerd Bining)博士和他的导师海•罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士在 IBM 公司(International Business Machines Corporation)设在瑞士 苏黎士的实验室进行超导实验时，他们并没有把自己的有关超导隧道效应的研究与新 型显微镜的发明联系到一起。但是真空中超导隧道谱的研究已经为他们今后发明扫描
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由此可见，隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距离 s 极为敏感，如果 s 减小 0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只 有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏 幕上即显示出与样品表面结构相关的信息。 2.2 STM 的结构 常用的 STM 针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图 3 所示， Lx、Ly、Lz 分别控制针尖在 x、y、z 方向上的运动。在 Lx、Ly 上施加电压，便可使针 尖沿表面扫描；测量隧道电流 I ，并以此反馈控制施加在 Lz 上的电压 Vz；再利用计 算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。
图 1 从左至右依次为 Ernst Ruska，Gerd Binnig，Heinrich Rohrer
二、STM 的工作原理
2.1 隧道效应简介 扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电 子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。 那么什么是隧道效应？根据量子力学原理，由于粒子存在波动性，当一个粒子处 在一个势垒之中时，粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零， 这种现象称为隧道效 应。 由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度 并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约 为 1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质(称为 样品)的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离＜1nm)时，两者的电子 云略有重叠，如图 2 所示。若在两极 间加上电压 U，在电场作用下，电子就 会穿过两个电极之间的势垒，通过电 子云的狭窄通道流动，从一极流向另 一极，形成隧道电流 I 。隧道电流 I 的大小与针尖和样品间的距离 s 以及 样品表面平均势垒的高度 φ 有关，其 -A√ps 关系 为 I∝Ue ，式 中 A 为 常量 。 如果 s 以 0.1nm 为单位，φ eV 为单位， -√ps 图 2 金属表面与针尖的电子云图 则在真空条件下，A≈1，I∝Ue 。
图 6 探针在物质表面的微观图象
三、STM 的应用
STM 作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有明显的优势： 首先，STM 具有极高的分辨率。它可以轻易的“看到”原子，这是一般显微镜 甚至电子显微镜所难以达到的。我们可以用一个比喻来描述 STM 的分辨本领： 用 STM 可以把一个原子放大到一个网球大小的尺寸，这相当于把一个网球放大 到我们生活的地球那么大。 其次，STM 得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象。而不同于某些 分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。 STM 的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须 安放在高真空条件下才能进行测试。而 STM 既可以在真空中工作，又可以在大 气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。因此 STM 适用于各种工作环境 下的科学实验。
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控制隧道电流 I 不变，针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会 随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就 是说，STM 得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图 象质量高，应用广泛。（图中 S 为针尖与样品间距，I、Vb 为隧道电流和偏置电压，Vz 为控制针尖在 Z 方向高度的反馈电压。） 2.3.2 恒高度模式 如图 5 所示，在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样 品表面的局域距离 s 将发生变化，隧道电流 I 的大小也随着发生变化；通过计算机记 录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了 STM 显微图像。这种工作 方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。 从 STM 的工作原理可以看到：STM 工作的特点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道 电流获取显微图像，而不需要光源和透镜。这正是得名"扫描隧道显微镜"的原因。
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STM 的应用领域是宽广的。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是 材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。 STM 的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。这对于 STM 的推广是 有好处的。 STM 最重要的用途在于纳米技术上，具体如下。 3.1 “看见”了以前所看不到的东西 自从 1983 年 IBM 的科学家第一次利用 STM 在硅单晶表面观察到原子阵列以后，大 量的具有原子分辨率的各种金属和半导体表面的原子图象被相继发表。然而，在更多 的情况下，获得高分辨率的图象并不意味着我们就可以直接看到原子。正如我们从 STM 的工作原理中可以预见的那样，STM 所观察到的并不是真正的原子或分子，而只是这些 原子或分子的电子云形态。我们已经熟悉了这样的一个概念：“分子是由原子组成的 ， 原子是由原子核和围绕着原子核高速运动的电子组成的”。当原子组成分子后，原子 中的某些电子在很多情况下将不再为某个原子所独有，而是被一些原子或整个分子所 共有。这时，我们通过 STM 所获得的分子图象将不是与分子内部的原子排列一一对应 的。因此利用 STM 研究分子的结构并不象我们所想象的那样容易，如何通过从 STM 获 得的分子图象来解读分子内部的结构信息就成了一个十分重要而又具有挑战性的课题。 C60 分子由 60 个碳原子组成，是一种与足球结构类似的球形分子。1996 年美国和 英国的三位科学家就因为发现了这种比足球小了几亿倍的“足球分子”而获得了诺贝 尔化学奖，这足以说明这类分子的重要性。与足球一样，C60 分子具有三维的立体结构， 因此当它们吸附在固体表面上时，就存在着不同的吸附取向。为了研究 C60 分子的吸附 位置和吸附取向，中国科学技术大学的科学工作者们在超高真空条件下将 C60 分子蒸发 在单晶硅表面，利用 STM 在接近零下 200 摄氏度的低温条件下对样品表面进行扫描， 获得了 C60 分子在不同实验条件下的高分辨图像。在此基础上，他们采用“指纹鉴定” 的方法，通过严格的理论计算，将理论模拟图像与实验图像加以比较分析，从而将所 获得的 C60 分子的 STM 图象与其内部的原子结构对应起来，在国际上首次确定了 C60 分子 在 Si(111)-(7×7)表面上的吸附取向。这项成果的意义在于将理论分析与 STM 实验测 量相结合，成功地确定了分子的内部结构信息。这对人们研究更加复杂的分子体系探 索出了一条可行的方法。
图 7 Si(111)-(7×7)原子图像 3.2 实现了单原子和单分子操纵
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自 STM 成功发明，并在科技领域获得广泛应用之后，人们就希望能够把 STM 探针 作为在微观世界中操纵原子的“手”，实现人们直接操纵原子的梦想。90 年代初期， IBM 的科学家在 Ni 表面用 Xe 原子写出“IBM”三个字母，首先展示了在低温下利用 STM 进行单个原子操纵的可能性。随后科学家们又构造出了更多的原子级人工结构和更 具实际物理含义的人工结构“量子栅栏”。 通常有以下几种可能的单原子或单分子操纵方式： 利用 STM 针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在 材料表面发生横向移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、“推动”三种方 式； 通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子 沉积在材料表面； 通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键。 IBM 的科学家将 C60 分子放置在 Cu 单晶表面，利用 STM 针尖让 C60 分子沿着 Cu 表面 原子晶格形成的台阶做直线运动。他们将一组 10 个 C60 分子沿一个台阶排成一列，多 个等间距的这样的分子链，就构成了世界上最小的“分子算盘”，利用 STM 针尖可以 来回拨动“算盘珠子”，从而进行运算操作。当然，这项工作的意义并不在于人们要 用这样小的算盘来进行计算，而是在于它展示了一种前所未有的对单个分子的控制能 力。有了这样的手段，我们就可以从真正意义上去构造分子器件，以实现其真正的应 用价值。