IBM проложила новый путь: первая жидкофазная атомная визуализация 2D материалов при комнатной температуре

60 функционализированный металлический STM-зонд в шумозащищенных лабораториях в Центре нанотехнологий Биннига и Роррера. (Источник: Marcel Begert, IBM Research–Zurich)" />

Питер Нирмаладж исследует свойства 2D слоистых материалов, используя C₆₀ функционализированный металлический STM-зонд в шумозащищенных лабораториях в Центре нанотехнологий Биннига и Роррера. (Источник: Marcel Begert, IBM Research–Zurich)

Свыше 35 лет после того, как нобелевские лауреаты Герд Бинниг и Хайнрих Роррер изобрели сканирующий туннельный микроскоп, ученые IBM в Цюрихе достигли очередного вехи в атом-по-атом визуализации — на этот раз в жидких средах.

В партнерстве с исследователями из Университета Лаймерика, Эколя Политехник Федераль Лозанны и Университета Массачусетс — Амхерст, члены команды IBM Питер Нирмаладж, Бернд Готсман и Хайке Риль спроектировали и продемонстрировали надежный молекулярный STM-зонд, работающий при комнатной температуре в жидкости, позволяя анализ الناشивающих двухмерных слоистых материалов.

Это представляет первый успешный использование молекулярного STM-зонда с Ангстрем-разрешением в жидкой среде под стандартными лабораторными условиями, подвиг, ранее ограниченный ультравысоковакуумными (UHV) или криогенными средами.

Находки детализированы в статье «A robust molecular probe for Ångstrom‑scale analytics in liquids», опубликованной сегодня в Nature Communications.

Я поговорил с Питером, специалистом по молекулярной поверхностной науке и жидкофазной сканирующей зондовой микроскопии, чтобы узнать больше об этом прорыве.

Какой элемент дизайна зонда обеспечил высокое разрешение, достигнутое в вашей статье?

Питер Нирмаладж: Мы перешли от не-функционализированного золотого STM-зонда к химической терминации кончика единичной молекулой C₆₀. Это снижает реактивность вершины и обогащает пространственную информацию, получаемую от материала. Достижение такого атомного контроля в жидкости при комнатной температуре было значительным вызовом.

Что особенного в визуализации под стандартными лабораторными условиями, в отличие от обычных UHV и криогенных условий?

PN: Основная сложность — в поддержании стабильности единичной молекулы на вершине кончика. Представьте перевернутую гору, увенчанную вишней — этот масштаб улавливает требуемую чувствительность. В то время как криогенные условия подавляют флуктуации, при комнатной температуре молекула остается энергетически и динамически активной, ведущей к нестабильности. Наша работа демонстрирует, что деликатный зонд может быть стабилизирован в высокоплотных жидкостях, демпфирующих движение заякоренной молекулы.

Слева направо: фуллерен-терминированный золотой STM-зонд; единый атомный гексагон монослойного графена, подсвечивающий углеродные латтисные сайты; атомная структура 2D молибден-дисульфида с селективно анализируемыми видами.

Когда Всемирный экономический форум назвал 2D материалы одной из топ-10 الناشивающих технологий 2016, способность зондировать их с атомным разрешением в реалистичных средах стала все более критической. Точное знание их совместимости с окружением, экологической устойчивости и электронных свойств необходимо для производителей тонкопленочных транзисторов, прозрачной и гибкой электроники.

«Наша техника позволяет быстрее и надежнее структурный и электронный фингерпринтинг быстро растущего тела 2D материалов».

— Питер Нирмаладж, ученый IBM Research

Комбинируя наивысшее достижимое разрешение с экспериментально сложными условиями, мы разблокируем ценную информацию, напрямую информирующую инженерию устройств на базе 2D материалов.

Какие шаги должны быть предприняты дальше для продвижения визуализации на жидкость-твердое тело интерфейсах?

PN: Следующая веха — разрешить единичные молекулярные элементы с суб-молекулярным разрешением. Экспериментально и теоретически мы должны углубить понимание механизмов связывания между кончик-заякоренной молекулой и окружающей жидкостью, и оценить, как электронное и структурное влияние молекулы усиливает пространственный контраст.

Об авторе: Миллиан Гехрер — летний стажер в IBM Research – Zurich, где он интервьюирует ученых, чтобы узнать о их работе и мотивациях. Осенью он начнет изучение Computer Science как студент бакалавриата в Принстонском университете.