Belysning af vibrationsenergi af et enkelt molekyle i et eksternt kraftfelt

Vibrationen af ​​et molekyle på en overflade indeholder kritisk information om molekyl-overflade-interaktionen, afgørende for forståelsen af ​​overfladefænomener og for vigtige processer som katalyse. Det blev tidligere undersøgt med en scanning probe mikroskopi, men sondespidsen så ud til at udøve en kraft på molekylet, påvirker vibrationen. Her, ved at kombinere STM, AFM og modelberegninger, de eksperimentelle resultater blev præcist gengivet; molekyle-overflade-interaktionerne blev svækket af probespidsens nærhed.

Et molekyle adsorberet på en overflade (figur 1A) vibrerer på overfladen (figur 1B). Vibrationsenergien bestemmes af molekylets masse og af de genoprettende kræfter, der udøves på molekylet. Den genoprettende kraft stammer fra interaktionen i molekylet og med overfladen. Ved at måle vibrationsenergien, derfor, vi er i stand til at lære detaljer om samspillet mellem et molekyle og en overflade. Denne viden er nyttig til at forstå vigtige processer i anvendt videnskab, såsom katalytiske reaktioner, der finder sted på en overflade.

Da et molekyles vibrationsenergi i høj grad afhænger af molekylets miljø, det er nødvendigt at måle vibrationsenergien af ​​et individuelt molekyle for at opnå en dyb forståelse af samspillet mellem et molekyle og en overflade, under hensyntagen til miljøet. For eksempel, et enkelt molekyle isoleret på en enkelt krystaloverflade som vist i figur 1A er et ideelt mål for denne type forskning.

Et enkelt molekyls vibrationsenergi kan undersøges, med et scanning tunneling mikroskop (STM), ved at placere metalsonden af ​​STM lige over molekylet og ved præcist at måle strømmen ved at ændre spændingen påført mellem sonden af ​​STM og overfladen. Som vist i figur 2A, strømmen (I) og spændingen (V) viser en tilnærmelsesvis lineær sammenhæng, hvoraf det andet derivat (V-derivat af dI/dV) viser et top- og bundpar som vist i figur 2B. Top- og dalparret svarer til et molekyles vibrationsenergi. Dermed, ved hjælp af denne metode, vibrationsenergien af ​​et enkelt molekyle kan bestemmes.

Det blev tidligere rapporteret, imidlertid, at når en metalsonde blev placeret meget tæt på et molekyle for at måle strømmen, selve sondespidsen udøvede en kraft på molekylet, påvirker dens vibrationsenergi. I dette studie, vi har målt kraften mellem sonden og molekylet ved atomic force microscope (AFM) og vibrationsenergien ved STM for at belyse deres forhold.

Denne undersøgelse blev udført af et samarbejde mellem forskere fra Kanazawa University, Japan, University of Regensburg, Tyskland, og Linnaeus University, Sverige. Eksperimenterne blev udført på University of Regensburg.

Kraften mellem en sonde og et molekyle blev målt ved at bruge kraftsensoren udviklet af prof. Giessibl, Universitetet i Regensburg, Tyskland, medforfatter til undersøgelsen. Støtten, der var fastgjort med kraftsensoren, blev oscilleret ved en resonansfrekvens (ca. 50 kHz) af sensorens cantilever for at oscillere cantileveren effektivt. En metalsonde blev fastgjort i spidsen af ​​cantilever, hvor sondespidsen kun bestod af et atom. Ved at placere sondespidsen i umiddelbar nærhed af et molekyle adsorberet på overfladen, der opstår en kraft mellem molekylet og sondespidsen, som ændrer udkragningens resonansfrekvens. Fra sådanne ændringer, kraften mellem probespidsen og molekylet kan bestemmes. 3A viser de eksperimentelle data vedrørende den kraft, der opstår mellem probespidsen og CO -molekylet adsorberet på en kobberoverflade ved ændring af afstanden mellem probespidsen og CO -molekylet; et sæt data sammenlignes med et andet sæt med en anden probespids. Denne sammenligning angiver forskellen i de kræfter, der udøves på molekylet af de to forskellige probespidser. Hver sondespids består af kun et atom, men forskellen i strukturen bag det enkelte atom påvirker de udøvede kræfter.

Efter kraftmålingerne, vibrationsenergien blev undersøgt ved præcist at måle den strøm, der blev genereret ved at påføre en spænding mellem probespidsen og overfladen. Figur 3B viser ændringen af ​​vibrationsenergien ved ændring af afstanden mellem sondespidsen og molekylet. Probespidsen, der udøver den større tiltrækningskraft, påvirker molekylets vibrationsenergi i højere grad.

Næste, de eksperimentelle resultater blev analyseret ved hjælp af en klassisk model, der betragter vibrationen af ​​et molekyle som et dobbelt pendul. Med et almindeligt pendul, tyngdekraften giver en genoprettende kraft, mens i denne undersøgelse, bindingerne inde i molekylet og mellem molekylet og overfladen gav en genoprettende kraft. Vibrationsenergien blev beregnet ved hjælp af denne pendelmodel med kræfter opstået mellem probespidsen og molekylet taget i betragtning. Ud over, det blev også taget i betragtning, at kræfterne udøvet af sondespidsen svækkede bindingerne inde i molekylet og mellem molekylet og overfladen. Denne model reproducerede med succes og præcist de eksperimentelle resultater.

Den foreliggende undersøgelse uddyber betydeligt vores forståelse af interaktionen mellem et molekyle og en overflade og interaktionen mellem en probespids og et molekyle. I dette studie, et simpelt molekyle, CO, at have en meget enkel molekylær struktur er blevet brugt som et mål for forskning. Det forventes, at denne undersøgelse vil stimulere yderligere undersøgelse af molekyler af mere kompliceret struktur og teknologisk betydning. Det forventes også, at bindingen mellem et molekyle og en overflade vil blive brudt af en metalsondespids, som kan anvendes til processer, der fremkalder kemiske reaktioner.