扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscope 缩写为STM。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。
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，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。（下图为用STM观察原子）
分子的电子激发触发了不同的能量转换现象，包括发光、光伏效应和各种化学动力学。理解和控制激发态分子的动态过程对于用有机材料创造新的功能是非常重要的。光谱学已经被广泛用于研究这种电子激发态。然而，由于其有限的空间分辨率，它不能提供关于支配激发的分子轨道的局部空间分布的直接信息。相反，原子分辨率显微镜技术，如电子显微镜和扫描探针显微镜可以显示局部结构，但使用这种显微镜的光谱技术非常不发达。因此，在原子或分子水平上对电子激发和随后的过程的研究很少，关于相关的能量转换还有很多有待了解。
扫描隧道显微镜(STM)隧道电流诱导的电致发光(EL)的光谱测量方法(图1A)近年来发展迅速。这些方法通过扫描隧道显微镜将形态和电子特征与提供电荷和激发动力学信息的光子信号分析相结合。尽管扫描隧道显微镜电致发光是研究电子激发的一种独特而强有力的技术，但它在激发过程中的状态选择性很低。与光谱学中使用的可调谐激光器相反，隧穿电子的能量没有很好地定义或者是单色的，这使得通过使用STM隧穿电流来选择性地激发单个量子态特别困难。这阻碍了对单个激发态的内在特征(如能级和线宽)的阐明，以及对后续动态过程的精确状态到状态的描述。
研究成果
需要在单分子和原子水平上表征和控制激发态的方法来利用激发触发的能量转换过程。近日，日本理化研究所Hiroshi Imada等研究人员提出了一种具有微电子伏特能量和亚分子空间分辨率的单分子光谱方法，利用纳米腔等离子体激元的激光驱动在扫描隧道显微镜中诱导分子发光。这种可调的单色纳米探针允许对单个分子的单个电子和振动量子态的能级和线宽进行状态选择性表征，也就是说，我们可以实现精确检测单个分子，这是世界首次！此外，作者还证明了利用斯塔克效应和隧道结中的等离子体激元-激子耦合可以精细地调节态的能级。这项技术和发现开辟了一条利用分子系统的调谐能级来创造设计的能量转换功能的途径。相关研究工作以“Single-molecule laser nanospectroscopy with micro–electron volt energy resolution”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。
图文速递
图1. STM-PL（photo-luminescence，光致发光）测量与STM-EL(electroluminescence，电致发光)比较
图2. 用光致发光激发光谱选择性激发0-0跃迁
在这项工作中，作者将窄线可调谐激光器与扫描隧道显微镜相结合，实现了高度状态选择性的纳米尺度激发，能够以微电子伏特能量分辨率精确表征单分子的电子和振动状态。如图1B所示，STM尖端和金属衬底之间形成的纳米腔等离子体在一个明确的频率下被外部激光场驱动，激发分子产生光致发光(PL)。为了证明STM-PL光谱的精确性，在Ag(111)上生长的原子级薄NaCl膜上沉积了一种常见的发光分子——自由碱酞菁(H2Pc)及其氘代衍生物(D2Pc)(图1C)。超薄绝缘膜将分子与电磁波分离，实现单分子光学研究。
图3 H2Pc和D2Pc的光谱鉴定
图4 利用PLE (PL excitation,光致发光激发) 研究静电场效应
直观地观察原子、分子一直是人们长期以来梦寐以求的愿望。1981年在IBM位于瑞士苏黎士研究实验室的Gerd Bining与Heinrich Rohrer博士研制出一种新型显微镜--扫描隧道显微镜，终于使这一愿望成为现实，开辟了微观科学的新天地，两人也因这一发明而分享了1986年的诺贝尔物理学奖。这项工作使得我们能够精确表征具有微eV能量分辨率的单分子的电子和振动状态，也就是说我们可以实现精确检测单个分子，这是里程碑式的突破！
结论与展望
在这项研究中， 作者通过使用可调谐激光器结合扫描隧道显微镜，单个分子的单个量子态可以以优异的空间能量分辨率被探测和控制。实验结果与理论分析吻合良好。这一结果是因为扫描隧道显微镜的使用允许精确控制测量几何形状(例如尖端相对于分子的位置、分子的吸附位置和角度以及杂质的存在)，这在其他实验技术中是困难的。具有高能量分辨率的纳米光谱将在阐明分子结的性质方面发挥主要作用，其中由于空间变化的介电环境，内在的分子性质可以被改变。我们的实验装置可以很容易地修改，通过使用脉冲而不是连续激光进行时间分辨纳米光谱检查。作者预计，这里展示的高能高时间分辨率纳米光谱与能级电磁控制的结合将为更好地理解和有效利用能量转换动力学创造机会。
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