新型量子點顯微鏡，能顯示單個原子的電勢！Julich和Magdeburg大學合作的一組研究人員開發了一種新方法，可以在原子準確度上測量樣品的電勢。使用傳統的方法，直到現在幾乎不可能定量地記錄在單個分子或原子附近發生的電勢。這種新型掃描量子點顯微鏡方法，由德國福爾申斯中心Julich科學家和另外兩家機構的合作伙伴在《自然材料》上發表，可能為芯片制造或DNA等生物分子的表征開辟新機會。

所有物質都由正原子核和負電子組成，它們會產生電勢場，即使在很短的距離內，它們也會相互疊加和補償。傳統方法不允許對這些小面積場進行定量測量，這些小面積場在納米尺度上決定了許多材料的性能和功能。幾乎所有能夠成像這種電位的現有方法都是基于對電荷引起的力的測量。然而，這些力很難與發生在納米尺度上的其他力區分開來，這阻礙了定量測量。然而，四年前來自福爾松斯琴中心的科學家們發現了一種基于完全不同原理的方法。

掃描量子點顯微鏡是將單個有機分子（量子點）附著在原子力顯微鏡的頂端，這個分子充當探針。這種分子是如此之小，以至于我們可以用一種可控的方式將原子力顯微鏡頂端的單個電子附著到分子上。研究人員立即意識到這種方法的前景，并提出了專利申請。然而，實際應用仍有很長的路要走。最初，這只是一個令人驚訝的效果，其適用性有限。現在一切都變了，不僅可以可視化單個原子和分子的電場，還可以精確地量化它們。通過與在盧森堡的合作者進行理論計算的比較，這一點得到了證實。

此外，可以對樣品大面積成像，從而同時顯示各種納米結構，而只需要一個小時就可以得到詳細的圖像。研究人員花了數年時間研究這種方法，最終得出了一個連貫的理論。這些非常清晰圖像的原因是一種效應，使得顯微鏡的尖端與樣品保持相對較大距離，大約2到3納米——這對于一個普通的原子力顯微鏡來說是無法想象的。在這種情況下，重要的是要知道，一個樣品的所有元素都會產生影響量子點的電場，因此可以被測量。顯微鏡的尖端就像一個保護罩，可以抑制樣品中較遠區域的破壞性磁場。

因此屏蔽電場的影響呈指數下降，量子點只探測到周圍的直接區域，因此，分辨率比理想點探測器的分辨率要高得多。Julich的研究人員將測量完整樣品表面的速度歸功于來自馬格德堡奧托·馮·格里克大學的合作伙伴。那里的工程師開發了一個控制器，幫助自動化復雜的、重復的掃描樣品順序。原子力顯微鏡的工作原理有點像錄音機。針尖穿過樣品，將表面的完整圖像拼接在一起。然而，在以前的掃描量子點顯微鏡的工作中，必須移動到樣品上的一個單獨位置。

測量一個光譜，移動到下一個位置，測量另一個光譜，以此類推，以便將這些測量結果組合成一個單一的圖像。通過馬格德堡工程師的控制器，現在可以簡單地掃描整個表面，就像使用普通原子力顯微鏡一樣。過去一個分子需要5-6個小時，而現在我們可以在一個小時內對含有數百個分子的樣本區域進行成像。然而，也有一些缺點，準備度量需要花費大量的時間和精力。作為測量量子點的分子必須事先附著在針尖上，而這只有在低溫真空中才有可能。相比之下，普通原子力顯微鏡也可以在室溫下工作，不需要真空或復雜的準備工作。

然而，太平洋第三研究所所長斯特凡陶茨(Stefan Tautz)教授對此持樂觀態度：這不必限制我們的選擇，該方法仍然是創新的，對第一個項目感到興奮，所以可以展示它真正能做什么。量子點顯微術有許多應用領域，半導體電子學正在推進一個原子就能改變功能的領域規模邊界。靜電相互作用在催化劑等其它功能材料中也起著重要作用。生物分子的表征是另一個途徑。由于針尖與樣品之間距離較大，該方法也適用于粗糙表面，如DNA分子表面，具有其特有的三維結構。