Mikroskopi, kvantestil:Atomstakke afbildet i virkeligt rum

(PhysOrg.com) -- Siden de første optiske mikroskoper dukkede op i slutningen af ​​1600-tallet – en nøjagtig dato og den oprindelige opfinder undgår præcis identifikation – har mikroskopi udviklet sig dramatisk. Scanning tunneling mikroskopi (STM), atomic force microscopy (AFM) og (selv om det ikke er almindeligt anerkendt som en etableret metode) punktkontaktmikroskopi (PCM) gør det muligt for forskere at se genstande, der er utilgængelige for optiske mikroskoper, med billeder af atomer, der nu er almindelige. Alligevel, selv denne ubønhørlige march mod stadigt mindre skalaer har mødt begrænsninger. (For eksempel, STM giver ikke oplysninger om lokal kemi, mens PCM ikke kan afbilde individuelle atomer tilstrækkeligt, fordi det ikke har en enkelt-atom-kontakt.)

Imidlertid, forskning udført i Nanoscale Science Department ved Max Plank Institute for Solid State Research i Stuttgart, Tyskland har demonstreret næste skridt: kvantepunkt kontaktmikroskopi (QPCM), som bruger enkelte atomer i kontakten mellem spids og overflade til at bestemme atomstrukturen af ​​ledende overflader og, for første gang, give billeder af stablede atomer i det virkelige rum. I øvrigt, QPCM kan også bruges til at studere kvantetransport, og ved at bruge molekyler som kontakt til potentielt at identificere specifikke kemiske egenskaber ved den scannede overflade.

Forskerholdet – Yong-hui Zhang, arbejder med Peter Wahl og professor Klaus Kern – baseret deres QPCM-teknik på lavtemperatur STM, og faktisk fungerer QPCM i et lavtemperatur-scanning-tunnelmikroskop ved ~6 K (-267 °C) i et ultrahøjt vakuum. Imidlertid, mens STM normalt drives ved konduktans langt under a konduktans kvante – en kvantiseret konduktansenhed, repræsenteret af G ₀ – QPCM drives ved konduktanser op til nogle få konduktanskvanter. "Den største udfordring i at designe og implementere QPCM-teknikken, " siger Zhang, "er at opretholde en stabil atomkonfiguration ved det enkelte atomare punktkontakt under billeddannelse, da der er stor spænding inde i punktkontakten og derfor er atomkonfigurationen ofte meget sårbar over for enhver lille mekanisk forstyrrelse” Da spændingen i et tunnelkryds er langt mindre end i punktkontakten, ustabilitet ved spidsspidsen for STM-billeddannelse giver mindre bekymring end for QPCM.

Holdet udnyttede også tidligere forskning på området. Dannelse af en enkelt atompunktkontakt på ædelmetaloverflader er blevet intensivt undersøgt af STM i prof. Richard Berndts gruppe ved universitetet i Kiel i Tyskland i løbet af de sidste mange år, ” bemærker Zhang. Berndts hold viste den ledningsevne over enkelt sølv og kobber atomer (atomer adsorberet på en overflade) udviser en jævn og reproducerbar overgang fra tunneling til kontakt regime, demonstrerer, at en stabil kontakt kan dannes, når kontaktspidsen lodret nærmer sig et enkelt metaladatom på ædelmetaloverflader. "I vores arbejde, " tilføjer Zhang, "QPCM-billeddannelse udføres efter etablering af en stabil kontakt ved at scanne kontakten i et plan parallelt med overfladen i konstanthøjde-scanningstilstand og registrere strømmen. Vi fandt, at strukturen af ​​spidsens spids har stor indflydelse på både stabiliteten af ​​den atomare kontakt og billedkvaliteten af ​​QPCM, hvor der foretages forbedringer ved at træne spidsspidsen igennem, for eksempel gentagne spidsindrykninger i metalsubstratet."

Zhang påpeger også, at teknikken til QPCM-billeddannelse i sig selv ikke er helt ny:Manipuleret atom-billeddannelse blev først rapporteret af J.A. Stroscio på NIST i 2004 og af Berndts gruppe i 2010, hvor begge demonstrerede et adatom, der blev manipuleret sideværts af STM-spidsen, mens de blev afbildet i konstantstrømstilstand. "Den manipulerede atom-billeddannelse kunne betragtes som den samme som QPCM-billeddannelsen, ” Zhang påpeger, "på trods af, at de fungerer ved forskellige scanningstilstande, og førstnævnte bruges til at fungere ved lavere konduktans. Det nye i vores arbejde ligger i QPCM-undersøgelsen af ​​en guld (Au(111)) overfladerekonstruktion og en jern-platin overfladelegering (FePt), hvor den lokale atomare stabling og kemiske sammensætning viser sig at påvirke transportstrømmen gennem den atomare kontakt." Det, der er nøglen til Zhang et al's forskning er, at fortolkning af QPCM-billedet er lettet ved at arbejde i konstant højde-tilstand, og derfor er feedbackkontrol af scanningsspidsen ikke et problem.

I øvrigt, Zhang tilføjer, "Vores arbejde viser, at QPCM kan afsløre mere overfladeinformation end STM. Derfor kan QPCM-teknikken være nyttig i den eksperimentelle forskning af overfladekarakterisering."

Der er også plads til forbedringer. "En fordel ved QPCM-teknikken er, at STM- og QPCM-billeddannelse nemt kan kombineres, ” bemærker Zhang. "I fremtiden vil det vil være meget rart at bruge et computerprogram til at guide kontaktens scanningssti under QPCM-billeddannelse, derved undgås områder på overfladen i STM-billedet, der potentielt kan ødelægge kontaktens atomare konfiguration. Denne foranstaltning forventes at øge chancen for succes med at udføre QPCM-billeddannelse."

Fremtiden byder også på muligheden for, at QPCM har indflydelse på en række enheder og applikationer. "QPCM-teknikken kan fremme udviklingen af ​​nanoelektronik eller anden relevant anvendelse, ” bemærker Zhang. "En god forståelse og kontrol af elektronisk transport i objekter i nanoskala vil hjælpe med design og udvikling af enheder i nanoskala såsom molekylære transistorer og sensorer, eller nanotråde, der forbinder nanoelektroniske komponenter. Vores arbejde viser, at QPCM-teknikken kan undersøge indflydelsen af ​​lokal atomar stabling og kemisk sammensætning på transportkonduktansen, derved forbedre vores forståelse af kvantetransport."

Med hensyn til de næste skridt i deres forskning, Zhang konkluderer, "Efter at have studeret overfladerekonstruktion og overfladelegering med QPCM, næste skridt vil være QPCM-undersøgelsen af ​​elektroniske tilstande på overfladen. Udover evnen til at sondere overfladens atomare stabling og kemiske sammensætning, QPCM-teknikken forventes også at afsløre indflydelsen af ​​lokal elektronisk tæthed af tilstande på transportstrømmen gennem atomkontakten."

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.