光學顯微鏡的發明讓人類首次觀察到細菌和細胞👏，掃描探針顯微鏡則可以探索原子大小的世界——它以原子大小的針尖來“觸摸”樣品，得到其表面的原子排列🦹🏼‍♂️👱🏿‍♀️，在原子尺度上探索電學、光學💅♣︎、磁學、力學等性質，改變人們對物質的研究範式和基礎認知。在多種掃描探針顯微鏡中🤮，目前空間分辨率最高的是qPlus型掃描探針顯微鏡🩺。它的出現🩸，為物質科學和生命科學研究帶來了全新機遇。

打開原子世界的大門

掃描探針顯微鏡是納米科技領域最偉大的發明之一，主要包括掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡，它利用尖銳的針尖逐點掃描樣品🚣🏿‍♂️🪳，可在原子、分子👨🏿‍⚖️、納米多尺度上獲取表面的形貌和豐富的物性🗂🗞，已廣泛應用於物理學、化學、材料科學和生物學等多個領域，改變了人類對物質的研究方式和基礎認知🚣🏻‍♂️。

1981年🐥，德國物理學家賓尼和瑞士物理學家羅雷爾發明了掃描隧道顯微鏡，為我們打開了一扇通往原子世界的大門🚫。掃描隧道顯微鏡通過探測針尖與樣品間的隧道電流實現空間成像，達到前所未有的原子級分辨率。這一發明革新了人們對物質表面結構的理解，開啟納米科學實驗研究🧘‍♀️👩🏻‍🦽。然而，掃描隧道顯微鏡有一個顯著的局限——只能應用於導電樣品🧑🏼‍🚀。為突破這一限製，1986年👩‍❤️‍👩🏄🏽，科學家發明了原子力顯微鏡，這種顯微鏡基於針尖與樣品間的原子作用力來成像😰，不依賴於樣品導電性🩺。原子力顯微鏡極大擴展了掃描探針顯微鏡的應用範圍🤸，使其能夠研究包括金屬✍️、半導體🤖、絕緣體在內的多種材料體系👨🏿☢️。原子力顯微鏡還能在大氣和液體環境中工作⏳，表現出很好的工況條件和生物體系兼容性。

激光反射式原子力顯微鏡目前應用最為廣泛🙆‍♂️🙌🏻，其核心部件是利用微加工技術製備的可振動懸臂，懸臂末端裝有精細的針尖，背面鍍有一層反射鏡面金屬，能將激光反射給一個高度敏感的光電探測器。在掃描過程中🗓，針尖與樣品表面的相互作用力會引發懸臂的彎曲變形🧑🏻‍🎨，進而導致反射光斑位置的微小變化👷🏿。這些變化被探測器捕捉並轉化為樣品表面形貌的詳細信息。然而，由於其較小的勁度系數🚾，這種傳感器存在一定局限性📥。為避免針尖和樣品因“突跳”現象而被損壞，只能讓針尖在較大振幅下工作👲🏼🙁，加大了長程力占比👨‍💻，降低了空間分辨率📽，難以實現原子級別的觀測🧑🏼‍🎄🫄🏿。此外，反射激光的引入也限製了其在真空低溫環境中的應用💦。

“看”見氫原子和化學鍵

為克服傳統激光反射式原子力顯微鏡的局限性，實現短程力的探測與高分辨成像，科學家們一直在探索新的技術路徑。他們考慮,要使針尖在小振幅和靠近樣品的情況下穩定工作，就需要使用具有較大勁度系數的懸臂，而石英音叉作為手表中的計時元件，以高勁度系數和極高精度的振蕩頻率而聞名。

1996年🙆🏿，科學家創新性地將音叉的一個懸臂固定在質量很大的基底上🤱，而在另一個自由的懸臂上裝配上針尖🪠，作為原子力顯微鏡的力傳感器。這種設計不僅保持了較高的品質因子（也叫Q因子），還顯著提高了測量穩定性和精度。這種力傳感器被稱為qPlus（品質因子增強型）力傳感器。

經過多年發展和改進，qPlus力傳感器已經發展到第4代，可以在非接觸模式下，以極小振幅(小於100皮米)近距離掃描樣品👩🏽‍🌾，而不會出現“突跳”現象。由於qPlus傳感器的振幅與短程力的衰減長度接近，因此顯著提升了對短程力的靈敏度，更加容易獲得高空間分辨率🚵🏼‍♂️。此外🚾🖕🏻，其懸臂的形變可以通過石英的壓電效應以電學方式來直接探測，不需要激光系統🛌🏿，更容易兼容低溫環境。這一點對於在極端條件下進行的實驗尤為重要🫴🏽。由於使用了導電針尖👨‍🦽‍➡️，並通過單獨導線把針尖的電流提取出來，qPlus傳感器可以很容易測量隧道電流，從而實現了掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的雙模式掃描。這種集成不僅提高了測量靈活性，也為研究者提供了更多實驗選項🏃‍♀️‍➡️。通過針尖修飾，qPlus原子力顯微鏡的成像空間分辨率得到顯著提升，甚至實現了氫原子和化學鍵的超高分辨成像👩🏽‍🚀。

“看”更細微的世界揭示物質和生命科學奧秘

超高分辨率的qPlus原子力顯微鏡技術🚮🤾🏽，以其卓越性能和廣泛應用前景，在物質科學領域引發廣泛關註🧗🏼‍♀️👻。與傳統原子力顯微鏡相比，qPlus原子力顯微鏡不僅能與掃描隧道顯微鏡完美集成，還能兼容超高真空和低溫環境👩🏽‍🚀，實現超越掃描隧道顯微鏡的空間分辨率，成為目前空間分辨率最高的掃描探針顯微鏡。這些特點，使得qPlus原子力顯微鏡在單分子、表面科學、低維材料等研究領域🗃，發揮了重要作用。

高分辨結構成像。qPlus原子力顯微鏡在高分辨結構成像方面的應用尤為突出🤹🏼‍♀️。通過利用一氧化碳對其針尖進行分子修飾，科學家們首次實現了對有機分子化學鍵的直接測量，為後續研究如分子間氫鍵相互作用🔄、分子化學鍵鍵序👳、金屬原子團簇、化學反應產物識別等提供了新視角👨🏽‍🏫。此外，qPlus原子力顯微鏡的高空間分辨率也為低維納米材料的精確製備和表征提供了強有力的工具，如石墨烯、石墨烯納米帶等。在絕緣材料的原子結構研究方面🦎，qPlus原子力顯微鏡同樣展現出巨大潛力，為復雜氧化物表面方向研究提供了新視角。

電荷態和電子態的測量🦽。qPlus原子力顯微鏡的高信噪比和力靈敏度，使其在電荷態測量方面具有顯著優勢🤏🏻。通過測量針尖與樣品之間的局域接觸勢差🤟，可以對單個原子和分子內部電荷分布進行成像💍，並能直接測量單個原子的不同帶電狀態🚎。此外🧑🏿‍🚀，利用開爾文探針力顯微鏡模式或短程靜電力成像，qPlus原子力顯微鏡能對材料表面的電荷分布進行高分辨表征🚶🏻‍♂️，為在原子尺度上研究電荷序提供了新途徑👨🏼‍🎨。同時，利用電荷註入，qPlus原子力顯微鏡可對絕緣體表面單分子在不同帶電狀態下電子轉移概率分布成像，從而測量分子的電子態。與電學泵浦—探測技術相結合，qPlus原子力顯微鏡還可以達到原子級分辨率👨🏼‍🚀，探測單分子激發態的壽命🧑🏽‍🦳。

原子力的測量與操縱。qPlus原子力顯微鏡在原子力的測量與操縱方面同樣具有重要應用🦸‍♂️。通過測量針尖與原子之間的相互作用力引起的頻率偏移，可以精確測量移動原子所需的最小縱向作用力。將這種縱向作用力進一步轉化為相互作用勢🦟，通過對作用勢的橫向微分可以得到移動原子所需的最小橫向作用力👩🏿‍🎨🤰。qPlus原子力顯微鏡已可以測量單原子、單分子、石墨烯納米帶、二維冰等表面的靜摩擦力，為在原子精度測量摩擦力提供了新工具🧝🏽。高精度的針尖操控技術也為研究表面物理化學過程提供了新方法🌁，實現了表面水合質子輸運🖇👨🏿‍💼、表面化學反應操縱以及物理吸附到化學吸附的轉變等現象的精細研究🏄🏽‍♀️。

量子比特的操控與量子傳感。qPlus原子力顯微鏡的應用不僅限於納米科學領域，在量子比特的操控和量子傳感方面也展現出了巨大潛力。借助qPlus原子力顯微鏡強大的空間表征🤰🏽、操縱與局域調控能力，可發展出表面/近表面量子比特的相幹性提升、精密量子比特網絡構築、納米尺度掃描量子傳感等多種前沿技術。利用金屬針尖的局域強電場和激光🦸，qPlus原子力顯微鏡成功誘導了金剛石氮—空位色心的電荷態轉換✋🏿，並實現了金剛石近表面電子自旋噪聲的高效抑製，大幅提升了氮—空位色心的相幹性和量子傳感靈敏度🧍🏻‍♂️。這些創新不僅有效推動了量子比特和量子傳感技術的進步，還為開發高性能量子器件及量子計算的實際應用奠定了基礎🤕。

超高分辨率的qPlus原子力顯微鏡取得了顯著成就，但仍面臨一些挑戰和瓶頸。qPlus力傳感器的高勁度系數導致其對力的靈敏度較低，而較低的共振頻率限製了成像速度☁️，難以捕捉快速的非平衡態動力學過程🌈。由於掃描探針顯微鏡是表面敏感的技術，無法對復雜的三維結構實現精準測量。同時👩🏽‍🦰，qPlus原子力顯微鏡在化學分辨率方面也存在局限🫂，通常難以直接獲取樣品的化學信息。此外，將qPlus原子力顯微鏡技術應用到溶液👨‍🦱、生物體系等復雜環境時，還面臨Q因子降低和信息提取復雜性增加的技術難度。

面對這些挑戰，科學家們正在探索各種解決途徑🤦‍♀️，包括改進懸臂設計、發展主動控製Q因子的技術🌯、研製高頻懸臂、結合泵浦—探測技術與光譜技術、融合機器學習技術等👨🏽‍✈️，以期進一步提升qPlus原子力顯微鏡的性能，拓展其在物質科學和生命科學領域的應用。

（作者：江穎🥕、田野，分別系意昂3体育官网物理學院量子材料科學中心教授、意昂3体育官网輕元素先進材料研究中心主任、北京懷柔科學城輕元素量子材料交叉平臺負責人；意昂3体育官网物理學院量子材料科學中心研究員）

原文鏈接🔣◀️：“看清”原子世界🤾🏻‍♀️，有多難《光明日報》（ 2025年1月16日 16版）