近日，應《自然-綜述》系列期刊Nature Reviews Methods Primers邀請，北京大學物理學院量子材料科學中心、輕元素先進材料研究中心江穎教授聯合掃描探針顯微術領域多個國家的知名學者，包括：瑞士巴塞爾大學的Christoph Gerber教授（原子力顯微鏡的發明者之一）、 韓國基礎科學研究院量子納米科學中心主任Andreas Heinrich教授、瑞士蘇黎世聯邦理工大學的Daniel Müller教授以及美國康奈爾大學威爾康奈爾醫學院的Simon Scheuring教授，共同撰寫了題為“Scanning probe microscopy”（掃描探針顯微術）的綜述文章（Nature Reviews Methods Primers 1, 36 (2021)）。編輯同期配發了PrimeView進行推介。

Nature Reviews Methods Primers于2021年1月創刊，致力于加強跨學科的協作，出版介紹和總結先進方法或技術的引導性綜述，通常圍繞一個重要主題，邀請跨地區跨學科的多名頂尖學者合作撰寫，旨在為廣泛的不同職業階段的跨學科研究者提供評估和應用技術的信息。江穎等在該綜述中詳細介紹了掃描探針顯微鏡的基本原理和設備構造，展示了如何實現高分辨成像、譜學以及原子分子操縱技術，總結了掃描探針顯微術在物理學、化學、材料科學和生物學方向的最新應用，并梳理了該領域現存的技術挑戰和未來的發展趨勢。

北京大學江穎教授是文章的通訊作者。北京大學博士后邊珂是第一作者。這項工作得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部、北京市科委和發改委、量子物質科學協同創新中心和北京大學輕元素先進材料研究中心的經費支持。

延伸閱讀

掃描探針顯微鏡（scanning probe microscopy, SPM）是納米科技領域最偉大的發明之一，其利用尖銳的針尖逐點掃描樣品，可在原子/分子/納米尺度上獲取表面的形貌和豐富的物性。SPM主要包括掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscopy, STM, 1986年諾貝爾物理獎）和原子力顯微鏡（atomic force microscopy, AFM, 2016年卡夫里獎），通常以針尖獲取的微弱電流和力信號作為反饋進行掃描成像，固定針尖位置則可以獲得掃描隧道譜和各類豐富的力譜。此外，通過施加局域的電壓脈沖和作用力，針尖還可以實現對單個原子/分子和化學鍵的精準操縱。針尖通常采用物理剪切和電化學腐蝕法制備，而更精細的功能化針尖需利用單個原子或分子進行修飾。為了拓展SPM的探測自由度，以獲取光子、電場、磁場、應力、溫度等信息，科學家們還發展出一系列SPM的變型系統。

自其誕生以來，SPM已廣泛應用于物理學、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范式和基礎認知。在物理學領域，SPM可以在原子尺度上探究單個缺陷的電子態、單個磁性原子的自旋能級結構及其新奇磁相互作用，并構建原子尺度的量子門和量子圍欄等新奇物理器件；在超高真空環境中，SPM為研究單分子級的化學反應過程提供了有力手段，同時也適用于大氣和液相環境中多相催化、電化學、分子自組裝等領域的高分辨表征；在材料學領域，SPM不僅可以探究超導和拓撲材料的局域電子態結構及其微觀機制，也可實現二維材料、光電功能化材料和鐵電材料的局域電學、光學、磁學性質以及生長動力學的高分辨表征；此外，SPM還被廣泛應用于生物體系（包括器官、組織、生物薄膜、蛋白質以及核酸）中的結構表征和成像，通過功能化的AFM針尖采集單分子\單細胞力譜，探究生物基團或細胞間的各類相互作用，利用快速掃描AFM還可實時觀測細胞分裂等生物學過程。

目前，SPM還存在一些技術挑戰，諸如：針尖在掃描過程中對樣品不可避免的擾動，受限的探測帶寬和時間分辨能力，難以探測埋藏界面的微觀信息等。SPM與超快激光、量子傳感、精密測量、光學微腔等技術的融合有望突破這些技術瓶頸。SPM未來的發展趨勢包括：相干探測和操控、復雜三維納米結構的表征和解構、極端物理條件下的SPM以及生物活體系統的原位表征等。

圖：A. 掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡示意圖。B. 利用掃描探針操控單分子化學反應。C.單個Ti原子的磁共振譜線。D. 利用力譜探測病毒在細胞上的擴散和結合行為。E. 單個水分子的振動譜。F. 外膜蛋白質的原子力顯微鏡成像。G. 單個水合鈉離子的原子力顯微鏡成像。

文章鏈接：http://jiang.pku.edu.cn/file/2021/NatRevMethodsPrimer2021_SPM.pdf

編輯部推介文章：https://www.nature.com/articles/s43586-021-00037-y