Illustration av QPCM på en Cu(111)-yta. (A) Schematisk modell som visar arbetsprincipen för QPCM. De grå cirklarna och pilarna indikerar spetsens rörelse och Cu-atomkontakten. (B) Konduktans G som en funktion av att spets närmar sig avstånd d som erhållits med spetsen ovanpå en Cu-adatom. (C) QPCM-bild med samma skanningsstorlek som insättningen i (B); skanningen framåt (från vänster till höger) visas. (D) Bakåtskanning (från höger till vänster) förvärvad samtidigt med bilden som visas i (C). (E) Konstant strömbild av en stegkant på Cu(111). Stående vågmönster som härrör från yttillståndet är tydligt synliga i bilden. (F) QPCM-bild av samma område som visas i (E). Konduktansminskningen från toppen till botten av bilden beror på att planet i vilket spetsen skannar lutar något i förhållande till ytan. Omtryckt med tillstånd från Quantum Point Contact Microscopy, Yong-hui Zhang et al., Nanobokstäver, 26 juli, 2011, Copyright © 2011 American Chemical Society
(PhysOrg.com) -- Sedan de första optiska mikroskopen dök upp i slutet av 1600-talet – ett exakt datum och den ursprungliga uppfinnaren undviker exakt identifiering – har mikroskopi utvecklats dramatiskt. Skanningstunnelmikroskopi (STM), atomkraftsmikroskopi (AFM) och (även om det inte är allmänt erkänt som en etablerad metod) punktkontaktmikroskopi (PCM) tillåter forskare att se objekt som är otillgängliga för optiska mikroskop, med bilder av atomer som nu är vanliga. Ändå, även denna obönhörliga marsch mot allt mindre skalor har stött på begränsningar. (Till exempel, STM ger inte information om lokal kemi, medan PCM inte kan avbilda individuella atomer adekvat på grund av att den inte har en enatomskontakt.)
Dock, forskning utförd i Nanoscale Science Department vid Max Plank Institute for Solid State Research i Stuttgart, Tyskland har visat nästa steg: kvantpunktskontaktmikroskopi (QPCM), som använder enstaka atomer i kontakten mellan spets och yta för att bestämma atomstrukturen för ledande ytor och, för första gången, tillhandahålla bilder av staplade atomer i verkliga rymden. Dessutom, QPCM kan också användas för att studera kvanttransport, och genom att använda molekyler som kontakt för att potentiellt identifiera specifika kemiska egenskaper hos den skannade ytan.
Forskargruppen – Yong-hui Zhang, arbeta med Peter Wahl och professor Klaus Kern – baserat sin QPCM-teknik på lågtemperatur STM, och i själva verket arbetar QPCM i ett lågtemperatursscannande tunnelmikroskop vid ~6 K (-267 °C) i ett ultrahögt vakuum. Dock, medan STM vanligtvis drivs vid konduktans långt under a konduktans kvantum – en kvantifierad enhet för konduktans, representerad av G 0 – QPCM drivs vid konduktanser upp till några få konduktanskvanta. "Den största utmaningen med att designa och implementera QPCM-tekniken, säger Zhang, "är att upprätthålla en stabil atomkonfiguration vid den enda atompunktens kontakt under avbildning, eftersom det finns stor spänning inuti punktkontakten och därför är atomkonfigurationen ofta mycket känslig för alla små mekaniska störningar” Eftersom spänningen i en tunnelövergång är mycket mindre än i punktkontakten, instabilitet vid spetsen för STM-avbildning är mindre oroande än för QPCM.
Teamet utnyttjade också tidigare forskning inom området. "Bildandet av en enda atomär punktkontakt på ädelmetallytor har studerats intensivt av STM i Prof. Richard Berndts grupp vid universitetet i Kiel i Tyskland under de senaste åren, ” konstaterar Zhang. Berndts team visade den konduktansen över enstaka silver och koppar atomer (atomer adsorberade på en yta) uppvisar en jämn och reproducerbar övergång från tunnling till kontaktregim, vilket visar att en stabil kontakt kan bildas när kontaktspetsen vertikalt närmar sig en enda metalladatom på ädelmetallytor. "I vårt arbete, Zhang tillägger, "QPCM-avbildning utförs efter att ha etablerat en stabil kontakt genom att skanna kontakten i ett plan parallellt med ytan i konstanthöjdsskanningsläge och registrera strömmen. Vi fann att strukturen av spetsens spets påverkar starkt både stabiliteten hos atomkontakten och bildkvaliteten hos QPCM, där förbättringar görs genom att träna spetsspetsen igenom, till exempel upprepade spetsfördjupningar i metallsubstratet."
QPCM-bild av en ytlegering av järn-platina (FePt). (A) Tunnelbild med konstant ström av en stegkant på Pt(111)-ytan förberedd med FePt-ytlegeringen innan QPCM utförs med adatomen (som har lagts ner från spetsen) högst upp i mitten av bilden. Rumslig inhomogenitet som observerats på terrassen härrör från elektroniska tillstånd på grund av legeringen. (B) QPCM-bild av samma område som i (A); en sidoförskjutning på mindre än 1 µ i förhållande till (A) kan förekomma. En lätt ökning av konduktansen från topp till botten påträffas på grund av piezokrypning under skanning. I motsats till tunnelbilden i (A), QPCM-bilden löser konduktansskillnader i atomskala på den legerade terrassen såväl som den atomära strukturen av stegkanten. (C) Strukturell modell av den 2 x 1 strukturella enheten enligt (B) och beräknat konduktansmönster associerat med den. Atomer som visas ljusare är i lägre lager (de första tre lagren visas). Konduktansmönstret erhålls från en modellberäkning. Mörkare områden representerar lägre konduktans. Omtryckt med tillstånd från Quantum Point Contact Microscopy, Yong-hui Zhang et al., Nanobokstäver, 26 juli, 2011, Copyright © 2011 American Chemical Society
Zhang påpekar också att tekniken för QPCM-avbildning i sig inte är helt ny:Manipulerad atomavbildning rapporterades först av J.A. Stroscio på NIST 2004 och av Berndts grupp 2010, där båda visade att en adatom manipulerades i sidled av STM-spetsen under avbildning i konstantströmsläge. "Den manipulerade atomavbildningen kan betraktas som densamma som QPCM-avbildningen, " Zhang påpekar, "trots att de fungerar i olika skanningslägen och det förra används för att arbeta med lägre konduktans. Nyheten i vårt arbete ligger i QPCM-studien av en guld (Au(111)) ytrekonstruktion och en järn-platina ytlegering (FePt), där den lokala atomstaplingen och den kemiska sammansättningen visar sig påverka transportströmmen genom den atomära kontakten.” Det viktiga med Zhang et al:s forskning är att tolkningen av QPCM-bilden underlättas genom att arbeta i konstanthöjdläge, och därför är återkopplingskontroll av skanningsspetsen inte ett problem.
Dessutom, Zhang tillägger, "Vårt arbete visar att QPCM kan avslöja mer ytinformation än STM. Därför kan QPCM-tekniken vara användbar i den experimentella forskningen om ytkarakterisering."
Det finns också utrymme för förbättringar. "En fördel med QPCM-tekniken är att STM- och QPCM-avbildning enkelt kan kombineras, ” konstaterar Zhang. "I framtiden, det kommer att vara mycket trevligt att använda ett datorprogram för att styra skanningsvägen för kontakten under QPCM-avbildning, därigenom undviker man områden på ytan i STM-bilden som potentiellt kan förstöra kontaktens atomära konfiguration. Denna åtgärd förväntas öka chansen att lyckas med att utföra QPCM-avbildning."
Framtiden har också möjligheten att QPCM kommer att påverka en rad enheter och applikationer. "QPCM-teknik kan främja utvecklingen av nanoelektronik eller annan relevant tillämpning, ” noterar Zhang. "En god förståelse och kontroll av elektronisk transport i objekt i nanoskala kommer att hjälpa design och utveckling av enheter i nanoskala som molekylära transistorer och sensorer, eller nanotrådar som kopplar samman nanoelektroniska komponenter. Vårt arbete visar att QPCM-tekniken kan undersöka påverkan av lokal atomstapling och kemisk sammansättning på transportkonduktansen, därigenom förbättra vår förståelse av kvanttransport.”
När det gäller nästa steg i sin forskning, Zhang avslutar, "Efter att ha studerat ytrekonstruktion och ytlegering med QPCM, nästa steg blir QPCM-studien av elektroniska tillstånd på ytan. Förutom förmågan att sondera ytans atomstapling och kemisk sammansättning, QPCM-tekniken förväntas också avslöja påverkan av lokal elektronisk densitet av tillstånd på transportströmmen genom atomkontakten."
Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.
