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物体的“尖锐度”有极限吗?最尖锐的物体能达到什么效果?

【黑碳的回答(1175票)】:

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: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。(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。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。

【熊和鱼掌的回答(545票)】:

Update Feb 20 / 2016

突然得到很多人的支持,我想着就把这个答案再完善一下吧~

我看到有人把尖,硬度还有刺入的深度都联系起来了,其实这几个概念,随着尺寸的减小越来越分道扬镳。宏观上,我们认为尖的东西就是那种扎一下就刺进去了。当一个尖锐的物体刺入另一个尖锐的物体时,有好几种情况。 第一种就是塑性变形,也是宏观上最常见的,这是由于尖锐的东西会对目标在尖端产生应力集中,所以施加很小的力就可以达到塑性变形的条件,或者达到临界应力,目标体内的裂纹发生扩展,表现出的刺入。然后这个时候的刺入对于尖锐物体是有硬度的要求的,然后硬度的要求也就决定了这种尖锐的程度。

继续往尖锐的程度发展就代表着尖端物体原子数目的减少,原子数目的减少势必会影响硬度,然后需要注意的是,这时候的刺入不需要变形或是裂纹扩展了,因为它的尖锐可以比目标内的裂纹尺度还小,所以可以直接发生刺入。

Update Dec 10 /2015

感谢各位的支持, 最近比较紧,所以现在才更新~

关于AFM针尖的制作,说来其实并不复杂,先上一个流程图

首先当然是在硅基底上面长一层二氧化硅,然后用BHF和相应的MASK把想要做成针尖的区域给定下来,之后用RIE刻蚀掉二氧化硅下面的Si, 由于是各项同性的刻蚀,所以离二氧化硅近的区域就会刻蚀的比较严重,所以就会在尖端形成很尖的尖端。

整套制作流程的关键是就etching参数的选择. [1]整套制作流程的关键是就etching参数的选择. [1]

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我算是做这个的,我来补充几句,所谓无图无真相,我来上图!

首先纠正一点,AFM的针头不是最尖的,和他同类型的另一种STM才是,这两种显微镜的原理类似但是不同,一个是利用隧穿电流,一个是用原子力~~ 但是其实两者都能实现原子级的分辨率(0.1nm)。

此外,对于尖,我想明确一下这个概念。在宏观尺度,人们通常理解的尖其实就是很细,尖端很小,而其实尖本身带有感性色彩,即一个很尖的东西刺一下人会很疼。毕竟尖端小的话同样的力会产生更大的压强。然后,这都不是重点,如果真正要定义尖的话,我觉得空间分辨率(spatial resolution)就是尖更本质的叙述。

这个就是STM的针头,这里的scale bar是50 micron,再来个TEM照片,继续放大。

所以可以看到,其实就这个针头而言,他tip的尖端也就20个nm,这么大的尺度其实根本不能操作单原子。所以可以看到,其实就这个针头而言,他tip的尖端也就20个nm,这么大的尺度其实根本不能操作单原子。

那究竟AFM操作单原子是怎么实现的呢? 答案其实是在tip的最前面,有吸附的 杂质原子,这些 杂质原子在tip最前沿其实只有数个,所以可以达到操作单原子的目的。

如果赞数可观的话,我会继续补充关于这种尖锐的结构是如何制作的喔~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

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我看有人提到了电子等。正如我上面说的,空间分辨率是尖的本质叙述,所以如果继续深究这个话题的话, TEM 是怎么也绕不过的一个坎。可是这个时候的“尖”已经不是平常的概念了,算是作为对大家支持的回馈,我就继续完善一下吧。

【 以下,我简单介绍一下TEM 的成像和我拍的一些TEM的图片。。。。。。今天比较忙,待我闲下来再完善】。。。。。。。

先来FIB,FIB是一个精度非常高的仪器,里面的各个部件都可以说是很尖很尖。

这个是用FIB切的一个长为10微米宽是一微米的长方块,FIB中的HRSEM可以达到200nm的分辨率,精度非常高,而用其中的Ga source可以切到10nm的精度.这个是用FIB切的一个长为10微米宽是一微米的长方块,FIB中的HRSEM可以达到200nm的分辨率,精度非常高,而用其中的Ga source可以切到10nm的精度.

这个是FIB里的钨针,大家可以注意一下现在的scale bar,这个钨针已经非常细了,我需要用这个针把刚刚那个长方块给lift out出来。这个是FIB里的钨针,大家可以注意一下现在的scale bar,这个钨针已经非常细了,我需要用这个针把刚刚那个长方块给lift out出来。

像这个样子,之后再用Ga离子束轰击,将这个宽度为1微米的长方块削薄到40个nm~像这个样子,之后再用Ga离子束轰击,将这个宽度为1微米的长方块削薄到40个nm~

最后的效果就是这样的

注意scale bar和那个小长方块的尺寸~这样,一个tem的样品就做好了~

关于TEM,请参见我在另一个帖子的回答:透射电镜下看到的原子像的物理意义是什么? ? - Jason Guo在哪里的回答

REFERENCE

[1] Yaqiang Wang, Daniel Van der Weide, J. Vac. Sci Techonl. B, Vol. 23, No.4 Jul/Aug 2005

【叶莫殇的回答(2票)】:

扫描隧道显微镜,单原子的针尖,电子通过量子隧道效应,穿越势垒到达样品,是不是极限尖锐?

【风雅的回答(4票)】:

百度一下尖锐,吓死我了

【公平外的回答(9票)】:

@银教授

【任性的飞机哥的回答(27票)】:

请参考各种网红的下巴。

【中二之伤的回答(5票)】:

如果以尖锐来说,应该是最小的原子组成细长的形状而且直的不容易弯曲会比较锐利?原子还不够小,光子电子中子之类的应该更小吧,而且能扎很深,好多东西都能直接穿透。

那么最尖锐的应该是X光伽马射线中子流之类的吧?他们也有物体的部分特征啊。。。

嗯嗯。。。?▂?

【吴江的回答(6票)】:

水滴的屁股

【Amayer的回答(3票)】:

我特么手贱去百度尖锐了

【李辣条的回答(3票)】:

我所知道的最细的人类可以操控的东西应该是AFM的针头,可以用来操控每一粒原子。

【没怪癖的中年男子的回答(2票)】:

+

地球上最尖锐的“物体”是 CERN 里头的 LHC 高能量粒子束,它尖锐到可以刺破夸克。

+

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