Отображение атомов на двумерных атомных кристаллах в жидкостях

Питер Нирмалрадж исследует свойства двухмерных слоистых материалов с помощью C ₆₀ функционализированный металлический СТМ-зонд в бесшумных лабораториях Нанотехнологического центра Биннига и Рорера. (Источник:Марсель Бегерт, IBM Research – Zurich)

Спустя более чем 35 лет после того, как лауреаты Нобелевской премии IBM Герд Бинниг и Генрих Рорер изобрели сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), ученые IBM в Цюрихе совершили еще один прорыв в области построения изображений и метрологии по атомам. Но на этот раз жидкость.

В сотрудничестве с учеными из Университета Лимерика, Федеральной политехнической школы Лозанны и Массачусетского университета в Амхерсте ученые IBM Питер Нирмальрадж, Бернд Гоцманн и Хайке Риль разработали и успешно продемонстрировали работу надежного молекулярного зонда СТМ - в жидкая экосистема при комнатной температуре для анализа появляющихся двумерных слоистых материалов.

Эта работа знаменует собой первое техническое достижение. Ранее получение изображений низкоразмерных материалов, таких как органические молекулы и 2D-материалы, с помощью молекулярного СТМ-зонда с впечатляющим пространственным разрешением достигалось в сверхвысоком вакууме (СВВ), часто в криогенных условиях.

Статья под названием «Надежный молекулярный зонд для анализа жидкостей по шкале Ангстрома», опубликованная сегодня в Nature Communications , описывает исследование и его выводы.

Я поговорил с Питером, который специализируется в области молекулярной науки о поверхности и сканирующей зондовой микроскопии жидкостей, чтобы узнать больше о его исследованиях.

Какой элемент конструкции зонда обеспечил высокое разрешение, которого вы достигли в своей статье?

Питер Нирмалрадж: Мы перешли от использования нефункционализированного золотого STM-зонда к химическому завершению вершины STM-зонда с помощью одного углерода-60 (C ₆₀ ), что снижает реактивность вершины зонда и может повысить пространственную информативность исследуемого материала. До сих пор такой уровень контроля и объема информации, атом за атомом на 2D-материалах, было непросто достичь в жидкостях при комнатной температуре.

Что особенного в визуализации в стандартных лабораторных условиях, в отличие от обычных ультравысокого вакуума и криогенных условий?

PN: Основная проблема заключается в стабильности одиночной молекулы на вершине кончика зонда. Представьте перевернутую гору и поместите на ее вершину вишню - это масштаб, который нас интересует. В криогенных условиях контакт намного более устойчив, поскольку он имеет минимальные колебания, но при комнатной температуре молекула энергетически и динамически активна. Это имеет тенденцию приводить к образованию нестабильного молекулярного зондового комплекса STM. Здесь мы показываем, что чувствительный зонд при комнатной температуре может быть стабилизирован в жидкостях с высокой плотностью, которые способны минимизировать движение молекулы, закрепленной на вершине металлического зонда STM.

Слева направо:золотой STM-зонд с концевым фуллереном. Одноатомный шестиугольник однослойного графена, показывающий атомные позиции углерода в решетке графена. Атомная структура двумерного дисульфида молибдена, в которой атомные частицы могут быть выборочно проанализированы.

Всемирный экономический форум назвал 2D-материалы одной из 10 самых перспективных технологий 2016 года. В этом контексте какое значение имеет высокое разрешение, с которым вы можете проводить атомную визуализацию 2D-материалов в жидкостях?

PN: Лучшее понимание свойств 2D-материалов, добываемых в практических условиях, станет решающим, если будут реализованы надежные устройства на основе таких захватывающих материалов. Точные знания о совместимости 2D-материалов с окружающей средой, устойчивости к окружающей среде и электронных свойств будут большим преимуществом для производителей таких устройств, как тонкопленочные транзисторы или прозрачные и гибкие электронные устройства на основе 2D-материалов.

«Наша техника позволяет быстрее и надежнее снимать структурные и электронные отпечатки быстро растущих 2D-материалов».

- Питер Нирмалрадж, ученый-исследователь IBM

При расширении характеристик этих материалов мы успешно совместили максимально возможное разрешение на сегодняшний день в экспериментально сложных условиях. Устранение этого разрыва придает информации большую ценность и имеет прямое отношение к разработке устройств на основе 2D-материалов.

Какие шаги необходимо предпринять, чтобы улучшить визуализацию границ раздела жидкость-твердое тело?

PN: Следующий тест заключается в применении этого метода для разделения отдельных молекулярных элементов с субмолекулярным разрешением. Как с экспериментальной, так и с теоретической точки зрения, нам нужно больше понимать механизмы связи между молекулой и острием в присутствии окружающей жидкой среды, а также об электронном и структурном влиянии молекулы, исследуя наблюдаемые улучшения пространственного контраста. .

Об авторе: Миллиан Герер - летний стажер в IBM Research в Цюрихе, где он берет интервью у ученых, чтобы узнать больше об их работе и мотивах. Осенью он приступит к изучению компьютерных наук на бакалавриате в Принстонском университете.