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方法文章

通过带有三维虚拟现实界面的扫描探针显微镜实现单分子的手控操纵

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DOI：

10.3791/54506

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2016年10月2日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Peter Grünberg Institut (PGI-3), Forschungszentrum Jülich, 2Fundamentals of Future Information Technology, Jülich Aachen Research Alliance (JARA)

本文内容

摘要

我们通过实验者用手操控的运动捕捉系统和完全沉浸式虚拟现实眼镜，驱动扫描探针显微镜的针尖在三维空间中运动，实现了在金属表面上对单个有机分子的精确操控。

摘要

将有机分子视为未来纳米技术的功能性基本单元，如何通过自下而上的方法对这些基本单元进行排列与组装，仍是尚未解决的问题。扫描探针显微镜（SPM）可能是实现该目标的首选工具；然而，基于SPM的操作直到最近仍局限于二维（2D）空间。若能将SPM探针尖端与分子在特定位置实现稳定结合，则有望实现对分子在三维（3D）空间中的可控操作。然而，3D操作与在计算机上查看和生成SPM数据的典型2D范式存在较大不兼容性。因此，为了实现直观且高效的操作，我们将一台低温非接触式原子力/扫描隧道显微镜（LT NC-AFM/STM）与动作捕捉系统及完全沉浸式虚拟现实眼镜相耦合。该装置使得 "手动控制操作" （HCM），其中SPM探针随实验者手部运动而移动，同时在三维空间中可视化SPM探针的轨迹以及SPM结的响应。HCM为开发复杂的操控方案铺平了道路，有望加深对表面分子间纳米尺度相互作用的基本理解。本文描述了在虚拟现实环境中实现手控分子操控所需的装置与操作步骤。

引言

低温非接触原子力/扫描隧道显微镜（LT NC-AFM/STM，下文简称为SPM）是实现单个原子或分子原子级精确操控的首选工具1-3。基于SPM的操控通常局限于二维空间，并由一系列突然且常为随机的操控事件（跳跃）组成。这在本质上限制了对过程的控制能力。通过在明确定义的原子位置上以单个化学键连接目标分子，可实现一种能够克服上述限制的操控方法4-9。在整个操控过程中，被连接的分子始终与SPM针尖保持连接，从而通过适当地移动针尖实现分子在三维空间中的操控。这为在三维空间中执行各种复杂的操控操作提供了可能。然而，被操控分子与表面或其他周围分子之间的相互作用可能会阻碍这种连接式操控，这些相互作用可能产生足够大的力，导致针尖-分子连接断裂。因此，特定的SPM针尖三维轨迹可能成功也可能未能实现有效的操控。于是产生了一个问题：在针尖-分子键强度有限，且被操控分子与其环境之间的相互作用事先未被充分表征的情况下，如何定义能够确保操控成功完成的实验方案？

此处以最直观的方式探讨了这一问题。实验者只需通过移动手部即可直接控制扫描探针显微镜（SPM）针尖的位移7。该方法通过将SPM与一套商用动作捕捉系统相耦合来实现，部分系统参数如下所示。这种“手控操作”（HCM）的优势在于实验者能够快速尝试不同的操作路径，并从成功或失败中不断学习。

HCM 装置已被用于开展一项原理验证实验，实验中在 Ag(111) 表面的苝-3,4,9,10-四羧酸二酐（PTCDA）分子闭合层上，使用 HCM7 逐个移除 48 个分子，以镂刻出一个单词（“JÜLICH”）。将分子从表面提起会断裂其分子间的氢键，而这些氢键将单分子层中的分子相互连接10。通常情况下，当前存在的分子间键的总强度超过了针尖最外端原子与 PTCDA 的羧基氧原子之间形成的单个化学键的强度，而该化学键正是用于接触分子的（见图 1）。这可能导致针尖-分子连接断裂，从而导致操纵尝试失败。因此，实验人员的任务是确定一条针尖运动轨迹，使得阻碍作用的分子间键逐个断裂而非同时断裂，从而确保施加在针尖-分子连接处的总力始终不超过其键合强度。

尽管原则上可以对期望的轨迹进行模拟，但由于系统规模庞大且结构复杂，所需的模拟将耗费难以承受的大量时间。相比之下，使用HCM方法仅用40分钟就成功移除了第一个分子。随着实验接近尾声，提取所需的时间已显著缩短，这证实了学习过程的有效性。此外，HCM方法的精确性和多功能性还体现在反向操作中：从邻近位置提取的分子被用来填补因错误移除单分子层中另一个分子后留下的空位。

尽管运动捕捉方法具有快速且直观的优点，但其仅限于生成针尖轨迹数据。为了进一步系统性地开发新的分子操纵方案，同样重要的是能够实时观察针尖轨迹数据，并对先前生成的数据进行分析。因此，通过添加虚拟现实眼镜显著增强了HCM系统的功能，使实验人员能够在三维虚拟场景中实时查看数据，其中针尖轨迹叠加了扫描探针显微镜（SPM）实时测量的电流（I）和频率偏移（Δf）值8（见下文）。此外，虚拟现实场景中还显示了被操纵分子的模型，用作视觉尺度参考。因此，配备虚拟现实界面的HCM系统适用于系统性地映射操纵轨迹空间，并逐步优化具有潜力的操纵方案。除此之外，该系统还有助于不同实验之间的知识传递。以下段落将描述该系统的配置及其与操纵实验相关的一些技术参数。

实验在超高真空（UHV）条件下进行，本底压力为 1 × 10-10 mbar，使用一台商用扫描探针显微镜（SPM），该系统包含一个制备腔室和一个分析腔室。制备腔室配备有：用于样品溅射的 Ar+ 源、通过操纵器实现的样品转移装置（可对样品进行加热和冷却）、低能电子衍射（LEED）系统，以及一个定制的克努森池（K-cell），其中装有经升华纯化的 PTCDA 粉末。分析腔室配备有：一个体积为 12 L、保持时间为 46 小时的液氮（LN2）杜瓦低温恒温器，一个体积为 5 L、保持时间为 72 小时的液氦（LHe）杜瓦低温恒温器，以及一台 Besocke11 型甲虫式扫描探针显微镜（SPM），该显微镜配备一个音叉传感器12（TFS），传感器由一个石英音叉和电连接的 PtIr 探针尖端组成（用于 STM 操作），探针尖端通过聚焦离子束（FIB）切割并锐化（图 2）。

微装置设置的显微镜图像及纳米结构细节的扫描电镜图像，标尺已标明。
图2. 音叉传感器。 (a) 带有附着PtIr探针的商用音叉传感器图像。(b) 采用聚焦离子束（FIB）切割的PtIr探针尖端的扫描电镜图像。 请点击此处查看该图的放大版本。

原子力显微镜（AFM）在频率调制（FM）模式下运行13，其中通过抖动压电元件在共振频率（f0 ≈ 31,080 Hz）下激发调谐叉传感器（TFS）。振荡调谐叉的压电信号被放大后输入至锁相环（PLL），该锁相环保持TFS振荡幅度恒定，并追踪其共振频率的变化 Δf = f - f0，该频率变化源于作用在针尖上的力的梯度。如图3所示，扫描探针显微镜（SPM）针尖的位置由施加在x、y、z方向压电陶瓷元件上的一组电压（ux、uy、uz）控制（在5 K时的压电常数：x=15，y=16，z=6 Å/V）。ux、uy、uz电压（±10 V，20位分辨率）由SPM电子系统输出生成，再经高压（HV）放大器进一步放大，该放大器的最大输出电压为±200 V。

支持虚拟现实的扫描探针显微镜装置示意图，显示传感器控制、数据反馈回路和系统组件。
图3. 人机协同显微镜（HCM）装置示意图。 安装在其表面带有多个（红外）IR光源的（被追踪物体）TO，其位置由运动捕捉系统（MCS）中的两个红外相机进行追踪。TipControl软件从MCS获取TO的坐标（x,y,z），并将其传递给远程电压源（RVS），后者生成一组电压（vx,vy,vz），该电压与SPM电子控制系统为调控SPM探针位置而产生的电压（ux,uy,uz）相叠加。叠加后的电压经由高压（HV）放大器，进一步施加到SPM探针的压电定位系统上。当SPM反馈（FB）回路处于开启状态时，该装置允许手动控制探针定位。探针的（x,y,z）位置，以及I(x,y,z)和Δf(x,y,z)数据被传送到VRinterface软件，由该软件在操作者佩戴的头戴式显示器（HMD）所呈现的3D虚拟场景中进行可视化显示。请点击此处查看该图的放大版本。

通过一个增益可变的跨阻放大器测量扫描探针显微镜（SPM）针尖与样品表面之间的隧穿电流，增益范围为 1 × 103 至 1 × 109 V/A（在增益为 1 × 109 V/A 时的带宽为 1 kHz）。放大器的输出信号被送入扫描隧道显微镜（STM）反馈（FB）回路，用于在恒流扫描模式下调节针尖相对于表面的高度。结点的稳定性（关闭TFS振荡时）为 1–3 pm。TFS的压电振荡信号经过两级放大：（1）固定在液氮（LN2）屏蔽罩上的前置放大器（增益为 1 × 108 V/A，带宽为 20 kHz）；（2）外部电压放大器，增益可在 1 × 101 至 5 × 104 之间调节，带宽为 1 MHz。

进行HCM实验时，SPM系统配备了以下扩展设备：动作捕捉系统（MCS）、可远程控制的多通道电压源（RVS）、加法放大器以及虚拟现实头戴式显示器（HMD）。所列设备中，除加法放大器外，其余均通过商业途径购得。

MSC 是一种红外（IR）标记追踪系统，能够以 100 Hz 的频率实现毫米级的空间位移分辨率。该系统由两个红外相机、一个可追踪物体（TO）以及控制软件组成。MCS 软件通过分析两个相机获取的可追踪物体图像，确定其在三维空间中的 x、y、z 坐标。MCS 提供一个编程库，允许在其他独立的软件程序中使用该可追踪物体的坐标数据。

TO 的坐标（x至，y至z至) 传递给定制开发的软件程序“TipControl”。 图 4 显示图形用户界面的截图。软件通过窗口中的“start”按钮激活。激活后（τ=0），软件将所有vx-, vy-, vz-根据以下表达式，在RVS上施加电压（电压范围±10 V，16位分辨率，每步电压延迟50毫秒） 静态平衡方程，ΣFx=0，描述动态过程分析的数学公式等等。，其中 cx cy, cz 是将TO的5 cm位移转换为SPM针尖1 Å位移的转换系数。这些系数px(t), py(t), pz(t) 的取值由软件窗口中 x、y、z 复选框的状态决定。若复选框被选中，则对应的 p(t) 设为 1。当在软件窗口中按下“暂停”按钮时，所有 p(t) 均被设为 0，从而允许操作者临时“冻结”探针的位置。在软件窗口中按下“全部重置”按钮将设置 vx-, vy-, vz-电压归零，使探针返回SPM软件定义的初始位置。软件窗口中的“向RVS发送手动指令”文本框可用于设置任意vx-, vy-, vz-电压可调至允许范围内的任意值，即±10 V。该vx-, vy-, vz由RVS产生的电压被加到u上x-, uy-, uz通过一个求和放大器（增益为1，带宽50 kHz，输出范围±10 V）输出SPM电子设备的电压信号。

用于XYZ坐标测量的TipControl界面；连接状态、手动RVS命令、界面。
图4. 界面窗口的截图。 两个指示器显示与MCS和RVS系统的连接状态。通过复选框可激活沿选定空间轴的手动控制。单击“Start”按钮将根据图3所示方案启动MCS、TipControl与RVS之间的数据传输。“Pause”按钮用于停止数据传输。“Reset All”按钮将所有RVS电压重置为零。请点击此处查看此图的放大版本。

为了可视化实验数据（探针轨迹、I、Δf），使用头戴式显示器（HMD）。HMD提供立体视图（分屏高清显示——每眼各占一半屏幕，分辨率为1920 × 1080像素，刷新率为75 Hz）。专用的红外相机通过固定在HMD表面的红外LED来追踪HMD在三维空间中的位置和方向。HMD追踪系统允许操作者通过转头或简单移动身体来改变三维虚拟现实场景中的视角。

自主编写的软件“VRinterface”同时采集SPM和MCS的数据，利用OpenGL将其渲染到3D场景中，并借助头戴式显示器（HMD）的软件开发工具包（SDK）在HMD中显示。VRinterface直接从探针控制软件获取探针实时的x、y、z坐标（延迟数毫秒），而I和Δf信号则直接从SPM电子设备的输出端读取（延迟约250毫秒）。图5展示了操作人员佩戴HMD进行HCM时所看到的3D虚拟场景的截图。在3D虚拟场景中，探针尖端被渲染为一个白色球体。记录的探针轨迹着色反映了log(I(x,y,z))或Δf(x,y,z)的数值。通过按下按钮可在log(I(x,y,z))和Δf(x,y,z))着色模式之间切换。另一个按钮用于启动实验探针轨迹数据的记录（及显示），再次按下该按钮则停止记录。虚拟场景中还显示了一个静态的PTCDA分子，作为操作过程中的视觉辅助。操作人员通过键盘上的按钮手动调整其方向，使其与表面上真实分子的方向对齐。

注意：由于头戴式显示器（HMD）的头部追踪依赖红外发光二极管（IR-LED），可能会干扰微控制器系统（MCS），因为MCS也使用红外光来追踪操作工具（TO）的位置。因此，操作工具（TO）必须具有MCS可识别的独特形状，以帮助MCS区分来自操作工具（TO）的信号和来自头戴式显示器（HMD）的IR-LED的信号。

分子轨迹的3D建模，包含实时数据、示意图和科学分析，I(x,y,z)。
图5. 在HCM过程中操作员通过HMD观察到的3D虚拟场景截图。 一组白色球体构成模型化的Ag(111)表面。该模型表面的取向不一定与实际样品的取向一致。一个PTCDA分子模型被放置在该模型表面之上，其中PTCDA的C、O、H原子分别以黑色、红色和白色表示。为便于操作，可调节模型分子的方位角，使其与选定用于操控的实际分子取向相匹配。针尖位置由一个白色球体标记，代表针尖最顶端的原子。实时的I(x,y,z)和Δf(x,y,z)数据以条形指示器的形式显示在针尖旁边。先前记录的以及当前正在执行的操作以3D轨迹形式显示，其颜色代表在轨迹相应位置测得的log(I(x,y,z))或Δf(x,y,z)数值。本图中轨迹的颜色基于log(I(x,y,z))信号着色。通过按下按钮，可在log(I(x,y,z))和Δf(x,y,z)两种模式之间切换颜色对比。 请点击此处查看该图的放大版本。

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方案

注意：PTCDA 可能对皮肤或眼睛产生刺激，因此操作时应佩戴适当的手套并小心处理。请查阅相关的安全手册。低温液体可能对皮肤产生类似热灼伤的效果，长时间接触可导致冻伤。操作低温液体时，务必佩戴安全护目镜和适当的低温防护手套。低温液体产生的气体极冷，通常比空气重，可能积聚在地面附近，排挤空气。当空气中氧气不足时，可能导致窒息甚至死亡。请查阅相关的安全手册。

1. 样品制备

  1. 在 Ag(111) 表面沉积 PTCDA
    注意：PTCDA 的单层（ML）覆盖率应介于 10–30% 之间，并集中在大而致密的岛状结构中（图 6）。这种状态非常适合进行操纵实验，同时保留足够的洁净金属表面用于针尖制备。
    1. 在沉积前，使用标准的溅射-退火循环程序清洁 Ag(111) 晶体14。
      1. 用 Ar+ 离子对晶体溅射 15 分钟。使用 1 × 10-5 mbar 的 Ar 气压，离子能量为 0.8 keV，晶体保持在室温（RT）。
      2. 将样品在 530 °C 下退火 15–30 分钟。
    2. 使用 PTCDA K-cell 在 Ag(111) 样品上于室温（RT）下沉积 0.1–0.3 ML 的 PTCDA14。
      ​注意：未提供具体的沉积参数，因为不同实验装置的沉积条件可能有所不同。
    3. 沉积完成后，将样品快速加热至 200 °C 并保持 2 分钟，以改善 PTCDA 岛的有序性并脱附可能的污染物。
    4. 可选步骤：通过观察 Ag(111) 上 PTCDA 的低能电子衍射（LEED）图样来检查沉积效果15。
    5. 采用特定装置的操作流程将样品转移至扫描探针显微镜（SPM）。通常使用可在超高真空（UHV）内实现线性传输的操纵器，可能还需使用手动摆杆（wobble-stick）。
  2. 在 SPM 中检查样品制备情况。
    1. 样品转移后，等待 SPM 温度接近其基底温度（本实验中为 5 K）。在所述装置中，若样品在转移过程中被冷却至液氮（LN2）温度，此过程约需 1 小时。
    2. 使用特定装置的操作流程将针尖接近表面（恒流模式），直至出现隧穿电流。
    3. 调节高压放大器的偏置电压，使 uz = 0。除非另有说明，此设置将在全文中作为标准条件使用。
    4. 通过获取恒流 STM 图像来检查样品制备情况（设定参数：I = 0.1 nA，样品偏压 Vb = -0.35 V，电流放大器增益 1 × 109 V/A）。所给参数有助于成像 PTCDA 的最低未占分子轨道（LUMO），从而帮助识别用于操纵的分子中羧基氧原子的位置（图 6 插图）。
    5. 优化针尖状态，直至 STM 图像与 图 6 相似。例如，在对应于成像设定电流的针尖-表面间距下施加 5–6 V 的脉冲，或在对样品施加 Vb = 0.1 V 的同时，将针尖从稳定位置向洁净的 Ag(111) 表面方向移动 7–10 Å。若存在双针尖现象，可进一步撞击针尖以改善状态。切勿在 PTCDA 岛附近施加脉冲！

2. 使用 TFS 设置 AFM 操作

  1. 为FM-AFM设置系统特定的PLL参数，以确保能够在可接受的噪声水平和检测速度下实现Δf检测例如， 在约0.2–0.4 Å的TFS振荡幅度下，Δf在7 Hz带宽内的噪声为0.1–0.5 Hz。
  2. 检查Q因子（由软件自动计算）并确定f0 TFS 的
    1. 将探针从表面撤回至扫描探针显微镜控制器所能达到的最大距离（例如， 通过设置 vz -10 V，在此处所述的装置中，该电压会使探针从表面回缩约180 Å。
    2. 使用SPM软件记录共振曲线（在恒定TFS激发幅度下，TFS振荡幅度随驱动频率的变化）。
    3. 读取共振频率 f0 即共振曲线在频率轴上峰值所对应的位置。Q值由软件根据共振峰的宽度计算得出。该装置的Q值在50,000至70,000之间（图7).
  3. 将针尖置于洁净的Ag(111)表面区域上方，参照文献16校准TFS振荡幅度。

3. 在 SPM 装置中集成 MCS

  1. 根据制造商提供的手册组装并校准MCS。校准包括设定MCS坐标系的原点。
  2. 按照系统手册打开TO，并在MCS软件中将其添加为跟踪对象。
  3. 通过移动检测体积中的TO并观察MCS软件显示的位置，检查追踪是否正常工作。
  4. 通过从窗口向 RVS 发送测试命令来测试 RVS 与软件之间的连接（参见 图4).
  5. 测试MCS、RVS与TipControl之间的连接。
    1. 检查 vx-, vy-, vz-将RVS的电压设置为0 V，并在需要时重置。
      1. 从表面撤回尖端（2.2.1）。
      2. 按压 "重置全部" 软件窗口中的按钮以重置 vx-, vy-, vz RVS 输出端的电压
      3. 将尖端移回表面，同时保持反馈环路关闭（1.2.2）。
    2. 使用SPM软件中特定于设备的功能，将针尖定位在干净的Ag(111)表面区域上方。
    3. 在软件窗口中勾选 x、y、z 复选框。此操作将激活针尖位置在三个空间轴向上的手动控制模式。
    4. 按压 "开始" 在软件窗口中。
    5. 确保 vx-, vy-, vz- RVS 产生的电压对 TO 沿各轴方向的移动作出正确响应。当沿 z 轴（垂直于表面方向）移动时，监测反馈回路对 RVS 施加的电压进行补偿的反应z-电压
    6. 按压 "暂停" 在软件窗口中。
    7. 按压 "重置全部" 在软件窗口中。

4. 在 SPM 装置中集成头戴式显示器

  1. 确保头戴式显示器（HMD）已连接，并根据制造商提供的手册安装所有必要的驱动程序。
  2. 启动VRinterface，确保其正确渲染模型表面、吸附分子和针尖（参见 图5).
  3. 将头戴式显示器（HMD）中看到的三维虚拟现实场景的坐标系方向与运动捕捉系统（MCS）的坐标轴对齐。
  4. 戴上头戴式显示器（HMD）。如有需要，在执行以下步骤时可调整HMD在头部的位置，以便查看虚拟现实场景或实验室环境、键盘和计算机显示器。
  5. 测试SPM电子设备中I和Δf信号的实时数据传输 例如， 通过在SPM软件中更改隧穿电流设定点。
    1. 勾选软件窗口中的 x、y、z 复选框。
    2. 拿起TO并按压 "开始" 软件窗口中的按钮。
    3. 移动TO并检查代表针尖的球体是否在虚拟3D场景内正确移动。
    4. 保持手持TO稳定，直至 "暂停" 软件窗口中的按钮被按下。
    5. 收好 TO。
    6. 按压 "重置全部" 软件窗口中的按钮

5. 准备用于操纵单个PTCDA分子的SPM

  1. 将扫描隧道显微镜（STM）设置为恒流模式，采用能够增强PTCDA分子LUMO对比度的参数，从而确定分子取向（设定值：I = 0.1 nA，偏压Vb 样品施加 -0.35 V，电流放大器增益 1 × 109 V/A
  2. 确保移液尖端已妥善准备好以便操作。
    1. 图像 PTCDA。在SPM软件中输入扫描参数（扫描区域（如300 x 300 Å）2），反馈回路设定值：I = 0.1 nA 和 Vb = -0.35 V，扫描速度 = 150 nm/sec）并按下 "开始" SPM 软件中的按钮。图像的分辨率必须相似于 图6.
    2. 确保当针尖从隧穿接触状态移动到远离表面的较大距离时所发生的Δf>100 Å）并不比5-7 Hz大多少。
    3. 若上述任一条件未满足，则需在洁净的Ag(111)表面（1.2.5）重新进行针尖制备。
  3. 找到一个适合操作的表面区域。
    1. 使用 SPM 软件寻找与所示区域相似的区域 图6 包含一个PTCDA岛和部分洁净的Ag(111)表面。如有需要，可在不同操纵尝试之间利用洁净区域重塑针尖。
    2. 选择PTCDA岛内的一个分子进行操控，并记录一幅详细的STM图像（例如，50 x 50 Å2如图所示 图6选择 "SetXYOffset - 顶部" 从下拉菜单中选择，并通过点击较大的概览图像来选定详细图像的区域。
      注意：由于岛内所有分子（距边缘约3个分子距离）均可视为适合操纵的等同分子，因此没有特殊的选择标准。不应存在 "污垢" 在分子上或其附近可见的污物会产生不规则的图像对比度。
  4. 测试针尖与PTCDA分子的结合能力。
    1. 将尖端置于 PTCDA 的两个羧基氧原子之一上方（已在图中标记） 图6) 使用SPM软件中特定于设置的功能。选择 "设置XY偏移 - 顶部"，然后在相应的图像中单击。
    2. 使用SPM软件中特定于设备的功能，记录探针垂直向表面移动3-5 Å并同时记录I(z)的谱线。
      1. 设置一个恒定的偏置电压 Vb (例如， 6 mV）并定义针尖高度的斜坡，以使针尖接近和远离表面（例如，4 Å 更近然后恢复原位）。然后单击按钮 "脊柱操作" 在SPM软件中选择最近记录的STM图像上的一个位置，以执行垂直操纵。
    3. 检查记录的 I(z) 曲线是否表现出尖端与分子之间形成接触的特征，即电流 I(z) 出现急剧上升（超出所记录谱图 z 分辨率的陡增）。通常情况下，该接触足够牢固，可在垂直回缩尖端时实现 0.5–3 Å 的抬升（参见 图8).
      1. 如果 I(z) 曲线未显示出明显的接触形成，则尝试以下操作之一：
        1. 轻微改变探针的横向位置，并重复进针操作。
        2. 进行轻柔的尖端成型（1.2.5），并尝试再次接触分子，直至接触行为与图中所示一致 图8 已注册。
  5. 等待压电陶瓷蠕变消失（约2-4小时）。
    注意：漂移量决定了高通量测序中接触点的稳定性，从而影响在不重新扫描区域的情况下对同一分子进行连续操作的持续时间。
    1. 通过比较在选定操作区域以一定时间间隔记录的两幅高分辨率扫描隧道显微镜图像，检测x和y方向上的蠕变 例如，5 分钟。等待至连续两幅图像间的漂移小于 0.5 Å。
    2. 通过记录 u 测试 z 方向的蠕变z(t) 由反馈回路在1分钟内施加，并计算漂移速率。duz(t)/dt 应约为 0.2 Å/hr。

6. 手动控制操作（HCM）的准备工作

  1. 确保所有相关程序均正常运行，并确认所连接设备之间的数据传输正确无误：MCS、TipControl、RVS、VRinterface、HMD 和 SPM 电子系统。
  2. 确保头戴式显示器（HMD）坐标系的方向与运动捕捉系统（MCS）的坐标轴对齐。
  3. 将VR界面中作为视觉辅助显示的分子图像与实验中需操作的真实分子的取向对齐。
    1. 将头戴式显示器（HMD）沿其坐标系对齐，并调整方向，使视点位于参考分子上方。在VR界面中，通过按下键盘上的相应按钮顺时针或逆时针旋转，使参考分子与SPM软件中的成像分子对齐。
  4. 检查 vx-, vy-, vz-将RVS的电压设置为0 V，并在需要时重置（3.5.1）。
  5. 用扫描隧道显微镜以恒定电流模式重新扫描选定用于操纵的PTCDA分子。
  6. 将探针尖端置于选定用于操纵的羧基氧原子上方，使用SPM软件的相应功能完成定位。采用5.4步骤中确定的正确接触点。
  7. 激活PLL并设置振幅控制模式。将振荡振幅调至尽可能低（例如， 0.2–0.4 Å），但又足够高，以便在可接受的噪声水平和检测速度下实现Δf检测（见2.1）。
  8. 打开反馈回路。在SPM软件参数窗口中，将积分器值设为0。
  9. 在SPM软件参数窗口中将结偏压设置为几毫伏。输入0.007以在表面施加7 mV电压。
  10. 将电流放大器增益设置为 1 × 107 SPM 软件参数窗口中的 V/A。

7. 使用 HCM 对 PTCDA 进行可控操控

  1. 戴上头戴式显示器（HMD）并握住操纵杆（TO）。如有需要，在执行以下步骤时重新调整HMD在用户头部的位置，以便查看VR场景或实验室环境、键盘和计算机显示器。
  2. 在VRinterface中按下相应按钮，将记录轨迹的颜色对比度设置为log(I(x,y,z))。
  3. 在三维虚拟场景中标记接触点。该"锚点"有助于在后续使用HCM进行进一步操作时轻松找到接触位置，而无需重置RVS。
    1. 在尖端控制软件中仅勾选z轴方向的手动控制复选框，保持x、y方向的复选框未勾选。
    2. 向下移动TO，同时观察虚拟场景中I(0,0,z)和Δf(0,0,z)的实时信号。当I(0,0,z)和Δf(0,0,z)信号同时出现急剧跳跃时停止移动TO，此现象标志着接触形成（见图8）。
    3. 在VRinterface中按下相应按钮开始轨迹记录，并开始向上移动TO。
    4. 一旦分子与针尖之间的接触断裂，立即在VRinterface中按下相应按钮停止轨迹记录。其特征是I(x,y,z)和Δf(x,y,z)信号同时急剧下降。
    5. 按下尖端控制软件中的"暂停"按钮以关闭手动控制。
  4. 在软件中勾选x、y、z方向的复选框，激活针尖在所有空间轴上的手动控制，并在尖端控制软件中按下"开始"按钮。
  5. 若在操作后接触点的形成位置偏离了虚拟场景中已"锚定"的位置（由于漂移或针尖顶端状态变化），请根据需要校正针尖位置和针尖状态。
    1. 通过移动TO并观察虚拟场景中白色球体的运动，将针尖移回启动手动控制前的初始位置。
    2. 按下尖端控制软件中的"暂停"按钮以关闭手动控制。
    3. 按下尖端控制软件中的"重置全部"按钮，将RVS的vx、vy、vz电压重置为0 V。
    4. 将STM恢复至恒流模式，并使用有利于PTCDA分子LUMO对比度的参数（见1.2.4）。
    5. 重新扫描选定用于操作的分子，并使用SPM软件的设备特定功能将针尖定位在选定的羧基氧原子上方的正确位置（由5.4节确定）。如有需要，在邻近位置（<300 Å范围内）准备针尖，以减少残余压电蠕变。
    6. 从步骤7.1重新启动协议。
  6. 尝试寻找一条成功的提拉轨迹，使得在轨迹结束时所接触的分子完全从表面脱离。
    1. 通过移动TO并跟踪虚拟场景中代表当前针尖位置的球体运动，接近先前"锚点"处形成针尖-分子接触的位置。一旦接触形成，立即在VRinterface中开始记录新轨迹。
    2. 通过相应移动TO，沿适合提拉的方向（图10）拉动分子。若检测到针尖-分子接触断裂，则停止轨迹记录。返回接触点，在接触形成时重新开始轨迹记录，并执行不同的操作。
    3. 在离表面较远的距离（当前放大器增益为107 V/A时约7 Å处），按下VRinterface中的相应按钮，切换至Δf(x,y,z)颜色对比度，因为I(x,y,z)信号在远离表面时迅速衰减。此时Δf(x,y,z)成为分子存在的唯一指示（见图1）。当针尖-分子接触丢失后，Δf(x,y,z)会跳跃（接近）至零，并且即使针尖再向表面靠近1–3 Å也不会再发生变化。
    4. 若在z > 10 Å时针尖-分子接触仍保持稳定，请注意观察Δf(x,y,z)是否在将分子从表面拉离时平滑过渡至零。这是分子成功提拉的标志（见图1）。
    5. 测试分子是否已完全从表面脱离并悬挂在针尖上。
      1. 向上移动TO，检查在进一步回撤针尖时Δf(x,y,z)是否保持为零。
      2. 向下移动TO，检查在针尖向表面靠近1–3 Å（超过检测到成功提拉信号的高度）时Δf(x,y,z)是否增加。
  7. 将提拉起的分子沉积到洁净的Ag(111)表面区域。
    1. 成功提拉后，向上移动TO，使针尖从表面额外回撤10–20 Å，以减少提拉起的分子与表面之间的任何相互作用。
    2. 按下尖端控制软件中的"暂停"按钮，固定当前针尖位置并关闭手动控制。
    3. 在不开启反馈（FB）回路的情况下，使用SPM软件的设备特定功能将针尖移至距离分子提取岛区域一定距离（例如，50–100 Å）的洁净Ag(111)表面区域。选择"SetXYOffset - Top"，然后在相应图像中点击。
    4. 将电流放大器增益设置为1 × 109 V/A。
    5. 在尖端控制软件中仅勾选z方向复选框，并按下"开始"按钮。
    6. 移动TO以接近表面，直到出现可测量的I(z)信号。
    7. 按下尖端控制软件中的"暂停"按钮以关闭手动控制。
    8. 使用SPM软件中的鼠标控制滑块逐步增加Vb（最大Vb ≈ 0.5 V；更高的Vb可能导致分子损伤），直至I和Δf同时出现跳跃，表明分子已沉积到表面。若无法重新沉积分子，则需通过电压脉冲等方式清洁针尖以进行后续实验（例如，见1.2.5）。
    9. 在恒流模式下扫描该区域（1.2.4），检查分子是否确实已重新沉积到表面。

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结果

注意：本部分展示的是已发表于7,8的研究工作。

将热化学操纵（HCM）应用于将PTCDA/Ag(111)分子从单层中提起的问题时，我们能够通过逐个移除单个分子来书写图案（图9）。总共移除了48个分子，其中40个可重新沉积到洁净的Ag(111)表面，表明分子在操纵过程中保持完整。这使得可利用HCM通过从其他位置取走分子并填充意外产生的空位来修正“书写错误”（图9的插图）7。

能够成功将分子从层中移除的轨迹如图10所示。这些轨迹集中在相对狭窄的立体角范围内，其方向表明分子可通过一种“剥离”运动从层内被移出。这种剥离过程有助于逐步断裂分子间的氢键，并使作用在针尖-分子键上的总力保持在临界阈值以下...

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讨论

与其他基于扫描探针显微镜（SPM）的方法类似，本文所述的分子操纵实验在一定程度上也依赖于SPM针尖的性质。针尖顶端结构（无法完全控制）决定了针尖与分子之间键合的强度。因此，针尖与分子接触的强度可能会有较大变化，有时可能过低。鉴于此，在本实验方案中我们提到了一些针尖质量的基本测试方法以及针尖处理步骤。然而，在某些情况下，可能需要更严格的针尖处理才能获得满意的操纵结果。

使用非接触式原子力显微镜/扫描隧道显微镜（NC-AFM/STM）进行操控时，另一个关键方面是qPlus传感器在操控过程中的振荡。随着振幅增大，操控的可控性会变得更困难，因为音叉会使探针在垂直方向上下移动，总位移为2A0。在大振幅的极限情况下，探针始终沿垂直路径从表面回撤，这对操控过程产生至关重要的影响。因此，如果所用NC-AFM/STM系统的噪声特性不允许在远低于1 Å的振幅下工作，则应考虑在STM模式下进行操控，即不激励音叉。尽管在此情况下无法获得关于结点刚度的信息，但仅凭电导率可能已足以监测操控过程。

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披露

作者无任何利益冲突需要披露，且无竞争性经济利益。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
LN2注意：低温液体
LHe注意：低温液体
PTCDA注意：刺激性物质
克努森炉（K-cell）定制
ErLEEDSpecs与电源 ErLEED 1,000 A 配套使用
combient LT NC-AFM/STMCreatec
qPlus 传感器CreatecTFS
前置放大器Createc用于固定在 LN2 屏蔽层（第一级）上的音叉信号放大
低噪声电压前置放大器Stanford Research SystemSR560音叉信号外部放大器（第二级）
可变增益低噪声电流放大器FemtoDLPCA-200隧道电流放大器
BonitaViconB10, SN: MXBN-0B10-3658MCS 红外相机
Apex 交互设备ViconSN: AP0062MCS 可追踪物体（TO）
MX 校准棒ViconMCS 校准物体
TrackerViconMCS 软件
BS 系列电压电源stahl-electronicsBS 1-4RVS
求和放大器 定制，增益为1，基于运算放大器 TL072
Oculus Rift 开发套件 2Oculus VR头戴式显示器（HMD）
TipControl自主编写的软件
VRinterface自主编写的软件

参考文献

  1. Barth, J. V., Costantini, G., Kern, K. Engineering atomic and molecular nanostructures at surfaces. Nature. 437, 671-679 (2005).
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  5. Wagner, C., Fournier, N., Tautz, F. S., Temirov, R. Measurement of the Binding Energies of the Organic-Metal Perylene-Tetracarboxylic-Dianhydride/Au(111) Bonds by Molecular Manipulation Using an Atomic Force Microscope. Phys. Rev. Lett. 109 (7), 076102(2012).
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  8. Leinen, P., et al. Virtual reality visual feedback for hand-controlled scanning probe microscopy manipulation of single molecules. Beilstein J. Nanotechnol. 6, 2148-2153 (2015).
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通过带有三维虚拟现实界面的扫描探针显微镜实现单分子的手控操纵
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