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

使用扫描探针显微镜通过手控方式操纵单个分子的总体目标，是系统且直观地探索三维空间中的操纵方案。该方法拓展了我们在分子纳米技术领域的能力，例如，使我们能够系统地优化分子操纵方案、研究分子间相互作用方向，甚至制造复杂的超分子结构。

该技术的主要优势在于其直观性。实验人员打破了程序自动执行针尖轨迹的固有模式，直接参与到操作过程中。

将分子操控扩展到三维空间并使其脱离表面，开辟了许多新的机遇，但同时也必然提出了对三维可视化控制的需求。按照文本方案中的描述，使用动作捕捉系统搭建由实验者手动驱动的低温扫描探针显微镜。同时，按照文本方案中的描述，通过在银(111)表面沉积PTCDA来制备样品。

将扫描隧道显微镜（STM）设置为恒流模式，并采用能够增强PTCDA分子LUMO对比度的参数，以确定分子取向。在SPM软件中输入扫描参数，包括扫描区域、反馈回路的设定点以及扫描速度。

点击 SPM 软件中的开始按钮，对 PTCDA 进行成像。在文本方案所述中找到适合操作的表面区域后，创建一个概览窗口，并调整待扫描区域和扫描速度，以记录小区域的高分辨率扫描隧道显微镜（STM）图像。

接下来，测试针尖与PTCDA分子的结合能力。然后准备记录一段电流-距离谱，在此过程中将针尖垂直向PTCDA的羧基氧原子方向移动三到五个埃。通过设定恒定的偏压电压，并定义针尖高度的扫描过程以接近和撤回针尖，从而记录电流 I 随针尖高度 Z 的变化。

然后在SPM软件中点击单光谱按钮，并在最近记录的STM图像上选择一个位于目标操控的PTCDA分子的羧基氧原子上方的位置，以记录电流-距离谱。为检查针尖状态是否良好，需确认所记录的电流-距离曲线在针尖与分子接触时表现出电流的急剧上升，表明已形成接触。

通常，接触足够牢固，可在针尖垂直回缩 0.5 至 3 埃的距离内保持连接，随后当化学键断裂时电流会突然下降。在重新扫描选定用于操纵的 PTCDA 分子后，通过选择设置 X、Y 偏移量顶部，然后在相应图像中单击，将针尖定位至选定用于操纵的羧基氧原子上方。使用此前已验证正确的接触点。

启动锁相环并设置振幅控制模式。将振荡振幅设置为尽可能低，但需足够高，以确保在可接受的噪声水平和检测速度下能够实现ΔF检测。打开反馈回路，并在SPM软件参数窗口中将积分器值设为零。

然后，在SPM软件参数窗口中将结偏压设置为几毫伏。最后，在SPM软件数值参数窗口中将电流放大器增益设置为1×10⁷ 伏特/安培。戴上头戴式显示器（HMD），然后拿起可追踪物体。

如有需要，在执行以下步骤以查看虚拟现实场景或实验室环境、键盘和计算机显示器时，可重新调整头戴式显示器（HMD）在用户头部的位置。下一步是在三维虚拟场景中标记接触点。该锚定点有助于在后续通过手控操作进行进一步操作时快速找到接触位置，而无需重置远程可控的多通道电压源。

为此，仅勾选提示软件中对应的复选框以激活手控装置的 z 轴方向，同时保持 X 轴和 Y 轴的复选框未勾选。在观察虚拟场景中以绿色和粉色实时显示的当前信号与 delta-f 信号的同时，将可追踪物体向下移动。当电流信号与 delta-f 信号同时出现急剧跳变时，停止移动可追踪物体。

接触形成时的特征信号。在VR界面中，点击相应按钮并向上移动可追踪物体，以开始轨迹记录；当分子与针尖之间的接触断裂时，立即在VR界面中点击相应按钮停止轨迹记录。

特征表现为电流信号和delta-f信号同时急剧下降。在探针控制软件中点击暂停按钮，以取消手动控制。在软件中勾选X、Y和Z复选框，并点击探针控制软件中的开始按钮，以激活探针在所有空间轴方向上的手动控制。

尝试找到一条成功的提升轨迹，使得在轨迹结束时，已接触的分子完全从表面脱离。为此，在虚拟场景中通过移动可追踪对象，同时跟踪代表当前针尖位置的球体的运动，接近锚定点处形成针尖分子接触的位置。一旦接触形成，立即在虚拟现实界面中开始记录新轨迹。

通过相应移动可追踪物体，将分子沿适合提起的方向拉动。如果检测到针尖分子接触断裂，则停止记录轨迹。返回接触点，在接触形成时重新开始轨迹记录，并执行另一种操作。

重复此序列直至提拉成功。如果在 Z 大于 10 埃时，针尖与分子的接触仍然稳定，则表明分子已被成功提拉。为确认分子已附着在针尖上，需再次接近表面。

在探针接近表面但尚未靠近时，若检测到Δf值平滑增加，表明分子已连接至探针并垂直于表面取向。成功提起后，将可追踪物体向上移动，使探针从表面再回撤10至20埃。这可减少被提起分子与表面之间的任何相互作用。

取消勾选Z复选框以固定探针高度，并使用手控装置将探针移回初始的X、Y坐标。当相应的坐标接近零时，取消勾选X或Y复选框。在探针控制软件中点击暂停按钮，以固定当前探针位置并关闭手控功能。

在未开启反馈回路的情况下，选择设置 X Y 偏移量顶部，然后在相应图像中单击，将针尖定位在距离分子提取所在岛约 50 至 100 埃的洁净银（111）表面区域上方。然后将电流放大器增益设置为 1 × 10⁹ 伏特每安培。取消勾选针尖控制软件中的 X 和 Y 复选框，然后点击开始按钮。

将可追踪物体移近表面，直至出现可测量的电流。在探针软件中点击暂停按钮，以关闭手动控制。通过SPM软件中鼠标控制的滑块逐步增加偏压，直至电流和delta-f同时发生跃变，表明分子已吸附到表面。

在恒流模式下扫描该区域，检查分子是否确实已重新沉积到表面。最后，扫描分子被提取的区域，以观察形成的空位。此处展示的是通过手动控制操纵对分子层进行纳米结构加工的一个示例。

该系列 STM 图像展示了通过连续移除单层中单个 PTCDA 分子，逐步形成 47 个空位的过程。此动画显示了 34 条操纵轨迹，均成功实现了 PTCDA 分子从单层中的移除。此处为 3D 探针轨迹的动画，展示了在手动控制操纵下轨迹的优化与可重复性。

灰色曲线表示通过平均上一个动画中所示轨迹获得的初始参考轨迹。彩色曲线表示七次沿参考轨迹进行的操作尝试，这些尝试均未成功，以及七次沿新发现的弯曲轨迹进行并成功完成的操作尝试。我们所采用的手动操作方法可轻松应用于新的操作任务或新的分子。

无需进行成本高昂的模拟。一旦掌握，手动操控可用于研究单分子在其他情况下无法实现的构型。开展此类实验可显著加深我们对金属-分子-金属结中基本过程的理解。

进行手动操控操作时，实验者需要经历一个学习过程。后续我们计划将该学习过程形式化，并最终将其交由计算机完成。