IBM Breek Nieuw Grond: Eerste Vloeistof-Fase Atoombeeldvorming van 2D Materialen bij Kamertemperatuur

60 functionalized metal STM probe in the noise‑free labs at the Binnig and Rohrer Nano‑technology Center. (Source: Marcel Begert, IBM Research–Zurich)" />

Peter Nirmalraj onderzoekt de eigenschappen van 2D gelaagde materialen met een C₆₀ functionalized metal STM probe in de noise-free labs bij het Binnig en Rohrer Nano-technologie Centrum. (Bron: Marcel Begert, IBM Research–Zurich)

Meer dan 35 jaar na Nobelwinnaars Gerd Binnig en Heinrich Rohrer de scanning tunneling microscope vonden, hebben IBM wetenschappers in Zürich een nieuwe mijlpaal in atoom-voor-atoom beeldvorming bereikt - dit keer in vloeistofomgevingen.

In samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Limerick, École Polytechnique Fédérale de Lausanne en de Universiteit van Massachusetts-Amherst, hebben IBM teamleden Peter Nirmalraj, Bernd Gotsmann en Heike Riel een robuuste moleculaire STM probe geëngineerd en gedemonstreerd die op kamertemperatuur in vloeistof werkt, wat analyse van opkomende twee-dimensionale gelaagde materialen mogelijk maakt.

Dit vertegenwoordigt de eerste succesvolle gebruik van een moleculaire STM probe met Ångstrom-schaal resolutie in een vloeistofmedium onder standaard laboratoriumomstandigheden, een prestatie eerder beperkt tot ultrahoog-vacuüm (UHV) of cryogene omgevingen.

De bevindingen zijn gedetailleerd in het paper "A robust molecular probe for Ångstrom-scale analytics in liquids," vandaag gepubliceerd in Nature Communications.

Ik sprak met Peter, een specialist in moleculaire oppervlaktewetenschap en vloeistof-fase scanning probe microscopie, om meer te leren over deze doorbraak.

Welk element van het probe-ontwerp maakte de hoge resolutie mogelijk die u in uw paper bereikte?

Peter Nirmalraj: Wij overgingen van een niet-gefunctionaliseerde goud STM probe naar chemisch beëindigen van de tip met een enkele C₆₀ molecuul. Dit vermindert apex reactiviteit en verrijkt de ruimtelijke informatie verkrijgbaar van het materiaal. Het bereiken van zo'n atoomaire controle in vloeistof bij kamertemperatuur was een significante uitdaging.

Wat is specifiek aan beeldvorming onder standaard laboratoriumomstandigheden, vergeleken met de gangbare UHV en cryogene condities?

PN: De kernmoeilijkheid ligt in het handhaven van de stabiliteit van het enkele molecuul aan de tip apex. Beeld een omgekeerde berg gekroond met een kers - deze schaal vangt de benodigde gevoeligheid. Terwijl cryogene condities fluctuaties onderdrukken, blijft het molecuul bij kamertemperatuur energetisch en dynamisch actief, wat tot instabiliteit leidt. Ons werk demonstreert dat een deliciete probe gestabiliseerd kan worden in hoge-dichtheid vloeistoffen die de beweging van het geankerde molecuul dempen.

Van links naar rechts: Fullerene-getermineerde goud STM probe; een enkel-atoom hexagoon van monolayer grafiet benadrukkend koolstof roosterplaatsen; atoomaire structuur van 2D molybdeen disulfide met selectief analyseerbare soorten.

Toen het World Economic Forum 2D materialen noemde als een van de top 10 opkomende technologieën van 2016, werd de capaciteit om ze op atoomaire resolutie in realistische omgevingen te sondes steeds kritischer. Accurate kennis van hun ambient compatibiliteit, omgevingsrobuustheid en elektronische eigenschappen is essentieel voor fabrikanten van dun-film transistors, transparante en flexibele elektronica.

"Onze techniek stelt snellere en betrouwbaardere structurele en elektronische fingerprinting toe van een snel groeiende verzameling 2D materialen."

—Peter Nirmalraj, IBM Research wetenschapper

Door de hoogst bereikbare resolutie te combineren met experimenteel uitdagende condities, ontgrendelen wij waardevolle informatie die direct 2D materiaal-gebaseerde device engineering informeert.

Welke stappen moeten genomen worden om beeldvorming aan vloeistof-vaste stof interfaces te verwerken?

PN: De volgende mijlpaal is om enkele moleculaire elementen op te lossen met sub-moleculaire resolutie. Experimenteel en theoretisch moeten we ons begrip van de koppelingsmechanismen tussen het tip-geankerde molecuul en de omringende vloeistof verdiepen, en beoordelen hoe het molecuul's elektronische en structurele invloed ruimtelijke contrast versterkt.

---

Over de auteur: Millian Gehrer is een zomerstagiair bij IBM Research - Zürich, waar hij wetenschappers interviewt om over hun werk en motivaties te leren. In de herfst zal hij beginnen met Computer Science als undergraduate aan Princeton University.