Vibrationen av en molekyl på en yta innehåller kritisk information om interaktionen mellan molekyl och yta, avgörande för att förstå ytfenomen och för viktiga processer som katalys. Det har tidigare undersökts med en scanning sond mikroskopi, men sondspetsen verkade utöva en kraft på molekylen, påverkar vibrationen. Här, genom att kombinera STM, AFM och modellberäkningar, de experimentella resultaten återgavs exakt; molekyl-yta-interaktionerna försvagades av probespetsens närhet.

En molekyl adsorberad på en yta (Figur 1A) vibrerar på ytan (Figur 1B). Vibrationsenergin bestäms av molekylens massa och av de återställande krafter som utövas på molekylen. Den återställande kraften härrör från interaktionen inom molekylen och med ytan. Genom att mäta vibrationsenergin, därför, vi kan lära oss detaljer om samspelet mellan en molekyl och en yta. Denna kunskap är användbar för att förstå viktiga processer inom tillämpad vetenskap som katalytiska reaktioner som äger rum på en yta.

Eftersom vibrationsenergin hos en molekyl i stor utsträckning beror på molekylens miljö, det är nödvändigt att mäta vibrationsenergin hos en enskild molekyl för att få en djup förståelse av samspelet mellan en molekyl och en yta, med hänsyn till miljön. Till exempel, en enda molekyl isolerad på en enda kristallyta som visas i figur 1A är ett idealiskt mål för denna typ av forskning.

Vibrationsenergin hos en enskild molekyl kan undersökas, med ett scanning tunneling microscope (STM), genom att placera metallsonden för STM precis ovanför molekylen och genom att exakt mäta strömmen genom att ändra spänningen som appliceras mellan sonden för STM och ytan. Som visas i figur 2A, strömmen (I) och spänningen (V) visar ett ungefär linjärt samband, vars andra derivata (V-derivat av dI/dV) visar ett topp- och dalpar som visas i figur 2B. Topp- och dalparet motsvarar vibrationsenergin hos en molekyl. Således, med denna metod, vibrationsenergin för en enda molekyl kan bestämmas.

Det har tidigare rapporterats, dock, att när en metallsond placerades mycket nära en molekyl för att mäta strömmen, själva sondspetsen utövade en kraft på molekylen, påverkar dess vibrationsenergi. I den här studien, vi har mätt kraften mellan sonden och molekylen med atomkraftmikroskop (AFM) och vibrationsenergin med STM för att belysa deras förhållande.

Den aktuella studien genomfördes av ett samarbete mellan forskare från Kanazawa University, Japan, Universitetet i Regensburg, Tyskland, och Linnéuniversitetet, Sverige. Experimenten gjordes vid University of Regensburg.

Kraften mellan en sond och en molekyl mättes med hjälp av kraftsensorn utvecklad av Prof. Giessibl, Universitetet i Regensburg, Tyskland, en medförfattare till studien. Stödet som fästes med kraftsensorn svängdes med en resonansfrekvens (ca 50 kHz) hos sensorns fribärande för att oscillera fribäraren effektivt. En metallsond var fäst vid spetsen av konsolen, där sondspetsen bestod av bara en atom. Genom att placera sondens spets i närheten av en molekyl som är adsorberad på ytan, en kraft uppstår mellan molekylen och sondspetsen, som ändrar konsolens resonansfrekvens. Från sådana förändringar, kraften mellan sondspetsen och molekylen kan bestämmas. Figur 3A visar experimentella data avseende kraften som uppstår mellan sondspetsen och CO-molekylen adsorberad på en kopparyta vid ändring av avståndet mellan sondspetsen och CO-molekylen; en uppsättning data jämförs med en annan uppsättning med en annan sondspets. Denna jämförelse indikerar skillnaden i krafterna som utövas på molekylen av de två olika sondspetsarna. Varje sondspets består av bara en atom, men skillnaden i strukturen bakom den enskilda atomen påverkar krafterna som utövas.

Efter kraftmätningarna, vibrationsenergin undersöktes genom att exakt mäta strömmen som genererades genom att lägga på en spänning mellan sondspetsen och ytan. Figur 3B visar förändringen av vibrationsenergin vid ändring av avståndet mellan sondspetsen och molekylen. Sondspetsen som utövar den större attraktionskraften påverkar molekylens vibrationsenergi i större utsträckning.

Nästa, de experimentella resultaten analyserades med en klassisk modell som betraktar en molekyls vibration som en dubbel pendel. Med en vanlig pendel, gravitationen ger en återställande kraft, under denna studie, bindningarna inuti molekylen och mellan molekylen och ytan gav en återställande kraft. Vibrationsenergin beräknades med hjälp av denna pendelmodell med krafter som uppstår mellan sondspetsen och molekylen. Dessutom, det togs också i beaktande att krafterna som utövades av sondspetsen försvagade bindningarna inom molekylen och mellan molekylen och ytan. Denna modell reproducerade framgångsrikt och exakt de experimentella resultaten.

Den föreliggande studien fördjupar vår förståelse avsevärt av interaktionen mellan en molekyl och en yta och av interaktionen mellan en sondspets och en molekyl. I den här studien, en enkel molekyl, CO, att ha en mycket enkel molekylstruktur har använts som ett mål för forskning. Det förväntas att denna studie kommer att stimulera ytterligare undersökning av molekyler av mer komplicerad struktur och teknisk betydelse. Det förväntas också att bindningen mellan en molekyl och en yta skulle brytas av en metallsondsspets, som kan tillämpas på processer som framkallar kemiska reaktioner.