Nyt kvantepunktmikroskop viser elektriske potentialer for individuelle atomer

Et team af forskere fra Jülich har i samarbejde med University of Magdeburg udviklet en ny metode til at måle de elektriske potentialer i en prøve med atomnøjagtighed. Ved hjælp af konventionelle metoder, det var stort set umuligt indtil nu at kvantitativt registrere de elektriske potentialer, der opstår i umiddelbar nærhed af individuelle molekyler eller atomer. Den nye scannings kvantumpunktemikroskopimetode, som for nylig blev præsenteret i tidsskriftet Naturmaterialer af forskere fra Forschungszentrum Jülich sammen med partnere fra to andre institutioner, kunne åbne nye muligheder for chipfremstilling eller karakterisering af biomolekyler som f.eks. DNA.

De positive atomkerner og negative elektroner, som alt stof består af, producerer elektriske potentialefelter, der overlejrer og kompenserer hinanden, selv over meget korte afstande. Konventionelle metoder tillader ikke kvantitative målinger af disse små områder, som er ansvarlige for mange materielle egenskaber og funktioner på nanoskalaen. Næsten alle etablerede metoder, der er i stand til at afbilde sådanne potentialer, er baseret på måling af kræfter, der er forårsaget af elektriske ladninger. Alligevel er disse kræfter vanskelige at skelne fra andre kræfter, der forekommer på nanoskalaen, hvilket forhindrer kvantitative målinger.

Fire år siden, imidlertid, forskere fra Forschungszentrum Jülich opdagede en metode baseret på et helt andet princip. Scanning af kvantepunktmikroskopi indebærer vedhæftning af et enkelt organisk molekyle - kvantepunktet - til spidsen af ​​et atomkraftmikroskop. Dette molekyle tjener derefter som en sonde. "Molekylet er så lille, at vi kan kontrollere individuelle elektroner fra spidsen af ​​atomkraftmikroskopet til molekylet på en kontrolleret måde, "forklarer Dr. Christian Wagner, leder af gruppen Controlled Mechanical Manipulation of Molecules ved Jülich's Peter Grünberg Institute (PGI-3).

Forskerne genkendte straks, hvor lovende metoden var og indgav en patentansøgning. Imidlertid, praktisk anvendelse var stadig langt væk. "I første omgang, det var simpelthen en overraskende effekt, der var begrænset i dets anvendelighed. Det har alt ændret sig nu. Ikke alene kan vi visualisere de elektriske felter i individuelle atomer og molekyler, vi kan også kvantificere dem præcist, "forklarer Wagner." Dette blev bekræftet ved en sammenligning med teoretiske beregninger foretaget af vores samarbejdspartnere fra Luxembourg. Ud over, vi kan forestille store områder af en prøve og dermed vise en række nanostrukturer på én gang. Og vi har kun brug for en time til et detaljeret billede. "

Jülich -forskerne brugte år på at undersøge metoden og udviklede til sidst en sammenhængende teori. Årsagen til de meget skarpe billeder er en effekt, der tillader mikroskopets spids at forblive i en relativt stor afstand fra prøven, cirka to til tre nanometer - ufatteligt for et normalt atomkraftmikroskop.

I denne sammenhæng, det er vigtigt at vide, at alle elementer i en prøve genererer elektriske felter, der påvirker kvantepunktet og derfor kan måles. Mikroskopspidsen fungerer som et beskyttende skjold, der dæmper de forstyrrende felter fra områder af prøven, der er længere væk. "Indflydelsen fra de afskærmede elektriske felter falder således eksponentielt, og kvantepunktet registrerer kun det umiddelbare nærområde, "forklarer Wagner." Vores beslutning er således meget skarpere, end man kunne forvente fra selv en ideel punktsonde. "

Jülich -forskerne skylder deres partnere fra Otto von Guericke University Magdeburg den hastighed, hvormed hele prøveoverfladen kan måles. Ingeniører der udviklede en controller, der hjalp med at automatisere komplekset, gentagen sekvens af scanning af prøven. "Et atomkraftmikroskop fungerer lidt som en pladespiller, "siger Wagner." Spidsen bevæger sig hen over prøven og deler et komplet billede af overfladen sammen. I tidligere scanning af quantum dot mikroskopi arbejde, imidlertid, vi måtte flytte til et enkelt sted på prøven, måle et spektrum, gå til det næste websted, måle et andet spektrum, og så videre, for at kombinere disse målinger til et enkelt billede. Med Magdeburg -ingeniørernes controller, vi kan nu simpelthen scanne hele overfladen, ligesom at bruge et normalt atomkraftmikroskop. Selvom det plejede at tage os 5-6 timer for et enkelt molekyle, vi kan nu se eksempler på områder med hundredvis af molekyler på bare en time. "

Der er også nogle ulemper, imidlertid. Forberedelse af målingerne tager meget tid og kræfter. Molekylet, der fungerer som kvantepunkt for målingen, skal på forhånd fastgøres til spidsen - og dette er kun muligt i et vakuum ved lave temperaturer. I modsætning, normale atomkraftmikroskoper fungerer også ved stuetemperatur, uden behov for vakuum eller komplicerede præparater.

Og stadigvæk, Stefan Stefan, direktør hos PGI-3, er optimistisk:"Dette behøver ikke at begrænse vores muligheder. Vores metode er stadig ny, og vi er spændte på de første projekter, så vi kan vise, hvad det virkelig kan. "

Der er mange anvendelsesområder for quantum dot -mikroskopi. Halvlederelektronik skubber skalagrænser i områder, hvor et enkelt atom kan gøre en forskel for funktionalitet. Elektrostatisk interaktion spiller også en vigtig rolle i andre funktionelle materialer, såsom katalysatorer. Karakteriseringen af ​​biomolekyler er en anden vej. Takket være den forholdsvis store afstand mellem spidsen og prøven, metoden er også velegnet til ru overflader - såsom overfladen af ​​DNA -molekyler, med deres karakteristiske 3D-struktur.