物体的「尖锐度」有极限吗？最尖锐的物体能达到什么效果？ Vincent Fu，Materials Science, PhD 人类能够达到的极限尖锐度，一定是 single atom tips (SATs)，也就是在针尖只有一个原子。这不但不是一件触不可及的事情，而且 SAT 的制备也早已不是一个新的课题，现在已经存在多种非常成体系的 SAT 制备方法并且广泛应用于材料表征领域，我们隔壁的台湾岛上就有一群非常擅长于此的科学家。人类追求这种极限尖锐度的驱动力来源于对材料表征分辨率（resolution）的极限追求：在电子或离子显微镜方面，SATs 可作为点投影显微镜（PPM）的电子源或聚焦离子束（FIB）的离子源，发射出极限精确的电子或离子对样品成像从而达到最佳分辨率；在扫描探针方面，SATs 则可作为原子力显微镜（AFM）或扫描隧道显微镜（STM）的针尖从而获得最极限的分辨率。下图就是一个 SAT 电子源示意图。 目前普遍制作的 SATs 的方法主要有两种：（1）构建法（2）选择性气蚀法。 构建法的思路相对简单粗暴，就是通过场致蒸发得到一个相对尖锐的针尖，然后再把一颗单原子沉积在针尖获得一个“超级针尖”。根据不同的需要，针尖材料可以是钯、铱或铂。而这种构建法的缺点是在针头制作过程中无法做到实时监控，导致成功率不高。 而选择性气蚀法的优势则是可以实时监控控整个 SAT 针头的制作过程。科学家发现，在钨的（1 1 1）取向的表面上生长的一层薄薄的金属（铅、铂、金、铱、铑）膜，在真空退火过程中会在{2 1 1}方向形成一个三面金字塔，而金字塔尖，恰好就是一个原子。这种方法需要在超高真空（UHV）中完成，而整个过程也需要通过场离子显微镜（FIM）来观察。下图就是就是 SAT 纳米金字塔的示意图： SAT 具体的制作过程如下图所示： 图中每个亮点代表一个原子，图（a）就是刻蚀前的针尖，大概几十个原子的样子，随着刻蚀的进行，针尖的原子数逐渐下降，在图（b）和（c）中，一个六聚体逐渐显现，直到图（d）一个单原子针尖制作完成。为了验证纳米金字塔的形状，我们可以数一数制作出来的针尖每一层的原子数，如下图所示： （a）第一层一个原子，（b）第二层 3 个原子，（c）第三层 10 个原子，（d）第四层 15 个原子，（e）第五层开始出现不规律排布，（f）SAT 的 3-D 建模。 下图是 SAT 应用于 FIB 系统的示意图，离子源的亮度比传统 FIB 离子源提高了至少一个数量级。 下图是 SAT 应用于 PPM 对单壁碳纳米管的成像结果，其中图（b）则首次揭示了 PPM 中的干涉条纹，说明成像已经达到最佳的清晰度。 阅读原文
