Upplösningen hos skanningstunnelmikroskop kan förbättras dramatiskt genom att fästa små molekyler eller atomer på deras spets. De resulterande bilderna var de första som visade den geometriska strukturen hos molekyler och har genererat ett stort intresse bland forskare under de senaste åren. Forskare från Forschungszentrum Jülich och Vetenskapsakademien i Tjeckien i Prag har nu använt datasimuleringar för att få djupare inblick i fysiken för dessa nya bildtekniker. En av dessa tekniker presenterades i tidningen Vetenskap av amerikanska forskare i våras. Resultaten har nu publicerats i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

"En jämförelse mellan de experimentella resultaten och våra simuleringar visar utmärkt överensstämmelse och att därför, vår teoretiska modell kan förklara mekanismen bakom de mikroskopiska bilderna i denna familj av tekniker, " säger prof. Tautz från Forschungszentrum Jülich. "Denna jämförelse är väsentlig för att analysera bilderna."

Tillsammans med sina kollegor från Peter Grünberg Institute (PGI-3), 2008 introducerade Tautz metoden att fästa enstaka molekyler - initialt vätemolekyler, senare molekyler som kolmonoxid – till spetsen av ett skannande tunnelmikroskop och använda dem som extremt känsliga mätsonder. Det vetenskapliga samfundet reagerade med stort intresse för denna metod, och tekniken har sedan dess kontinuerligt förfinats. Det gör det möjligt att använda skanningstunnelmikroskop som ett slags atomkraftsmikroskop som kan avbilda molekylernas geometriska struktur med en aldrig tidigare skådad noggrannhet.

"Valensladdningsmolnen av komplexa organiska molekyler sprids ofta över hela molekylen, på så sätt döljer dess atomära struktur, " säger Tautz. Flexibelt bundna molekyler vid mikroskopspetsen kan användas som skräddarsydda sensorer och signalgivare som ändå kan göra atomstrukturen synlig.

De senaste åren, sådana atomsensorer har också visat sig användbara för arbete med atomkraftmikroskop. Sedan, i maj 2014, forskare från University of California, Irvine, visade för första gången att dessa sensorer också kan användas för att förbättra signaler i ett relaterat avbildningsläge känt som oelastisk elektrontunnelspektroskopi. I detta fall, det är sensormolekylens vibration mot mikroskopspetsen som reagerar känsligt på det skannade provets ytpotential.

"Våra beräkningar visar effekten av de elektrostatiska krafterna på den högupplösta AFM, STM, och IETS-bilder", förklarar Dr Pavel Jelínek från Institutet för fysik vid Tjeckiens vetenskapsakademi i Prag. "Vi tror att resultaten av detta arbete är ett viktigt bidrag till användningen av oelastisk elektrontunnelspektroskopi som gör att tekniken kan användas som en ytterligare informationskälla inom materialvetenskap och för att härleda ytterligare parametrar från bilderna."