Forskere udvikler ultrahøj opløsning 3D mikroskopi teknik til elektriske felter

Ved at bruge et enkelt molekyle som en sensor, forskere i Jülich har med succes afbildet elektriske potentialefelter med uovertruffen præcision. De ultrahøjopløselige billeder giver information om fordelingen af ​​ladninger i elektronskallerne af enkelte molekyler og endda atomer. 3D-teknikken er også kontaktfri. De første resultater opnået ved brug af "scanning quantum dot microscopy" er blevet offentliggjort i det aktuelle nummer af Fysiske anmeldelsesbreve . Den relaterede publikation blev valgt som redaktørens forslag og valgt som et synspunkt i videnskabsportalen Fysik. Teknikken er relevant for forskellige videnskabelige områder, herunder undersøgelser af biomolekyler og halvledermaterialer.

"Vores metode er den første til at afbilde elektriske felter nær overfladen af ​​en prøve kvantitativt med atomær præcision på sub-nanometer skalaen, " siger Dr. Ruslan Temirov fra Forschungszentrum Jülich. Sådanne elektriske felter omgiver alle nanostrukturer som en aura. Deres egenskaber giver information, for eksempel, på fordelingen af ​​ladninger i atomer eller molekyler.

For deres mål, Jülich-forskerne brugte et atomkraftmikroskop. Dette fungerer lidt som en pladespiller:en spids bevæger sig hen over prøven og sammensætter et komplet billede af overfladen. For at afbilde elektriske felter indtil nu, forskere har brugt hele den forreste del af scanningsspidsen som en Kelvin-sonde. Men den store størrelsesforskel mellem spidsen og prøven forårsager opløsningsbesvær - hvis vi skulle forestille os, at et enkelt atom havde samme størrelse som et hoved på en nål, så ville spidsen af ​​mikroskopet være lige så stor som Empire State Building.

Enkelt molekyle som sensor

For at forbedre opløsning og følsomhed, videnskabsmændene i Jülich fastgjorde et enkelt molekyle som en kvanteprik til spidsen af ​​mikroskopet. Kvanteprikker er små strukturer, måler ikke mere end et par nanometer på tværs, som på grund af kvanteindeslutning kun kan antage visse, diskrete tilstande, der kan sammenlignes med energiniveauet for et enkelt atom.

Molekylet i spidsen af ​​mikroskopet fungerer som en strålebalance, som vipper til den ene eller den anden side. Et skift i den ene eller den anden retning svarer til tilstedeværelsen eller fraværet af en yderligere elektron, som enten hopper fra spidsen til molekylet eller ikke gør det. Den "molekylære" balance sammenligner ikke vægte, men snarere to elektriske felter, der virker på den mobile elektron af den molekylære sensor:den første er feltet af en nanostruktur, der måles, og det andet er et felt, der omgiver spidsen af ​​mikroskopet, som bærer en spænding.

"Spændingen ved spidsen varieres, indtil der er opnået ligevægt. Hvis vi ved, hvilken spænding der er påført, vi kan bestemme prøvens felt ved molekylets position, " forklarer Dr. Christian Wagner, medlem af Temirovs Young Investigators-gruppe på Jülichs Peter Grünberg Institut (PGI-3). "Fordi hele den molekylære balance er så lille, omfatter kun 38 atomer, vi kan skabe et meget skarpt billede af prøvens elektriske felt. Det er lidt ligesom et kamera med meget små pixels."

Universelt anvendelig

Der er ansøgt patent på metoden, som er særligt velegnet til måling af ru overflader, for eksempel halvlederstrukturer til elektroniske enheder eller foldede biomolekyler. "I modsætning til mange andre former for scanning probe mikroskopi, scanning kvanteprikmikroskopi kan endda arbejde i en afstand af flere nanometer. I nanoverdenen, det er en ganske betydelig afstand, siger Christian Wagner. Indtil nu, teknikken udviklet i Jülich er kun blevet anvendt i højvakuum og ved lave temperaturer:væsentlige forudsætninger for omhyggeligt at fastgøre det enkelte molekyle til spidsen af ​​mikroskopet.

"I princippet, variationer, der ville virke ved stuetemperatur, er tænkelige, " mener fysikeren. Andre former for kvanteprikker kunne bruges som en sensor i stedet for molekylet, som dem, der kan realiseres med halvledermaterialer:Et eksempel ville være kvanteprikker lavet af nanokrystaller som dem, der allerede bruges i grundforskning.