Atomen afbeelden op 2D-atoomkristallen in vloeistoffen

Peter Nirmalraj onderzoekt de eigenschappen van 2D gelaagde materialen met behulp van een C₆₀ gefunctionaliseerde metalen STM-sonde in de ruisvrije laboratoria van het Binnig en Rohrer Nanotechnology Center. (Bron:Marcel Begert, IBM Research-Zürich)

Meer dan 35 jaar nadat IBM Nobelprijswinnaars Gerd Binnig en Heinrich Rohrer de scanning tunneling microscope (STM) uitvonden, hebben IBM-wetenschappers in Zürich een nieuwe doorbraak bereikt op het gebied van atoom-voor-atoom beeldvorming en metrologie. Maar deze keer is het in vloeistoffen.

In samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Limerick, de École Polytechnique Fédérale de Lausanne en de Universiteit van Massachusetts-Amherst hebben IBM-wetenschappers Peter Nirmalraj, Bernd Gotsmann en Heike Riel de werking van een robuuste moleculaire STM-sonde ontwikkeld en met succes gedemonstreerd. een vloeibaar ecosysteem bij kamertemperatuur om opkomende 2D-gelaagde materialen te analyseren.

Dit werk markeert een eerste technische prestatie. Voorheen werd beeldvorming van laagdimensionale materialen zoals organische moleculen en 2D-materialen met behulp van een moleculaire STM-sonde met spectaculaire ruimtelijke resolutie bereikt onder ultrahoog vacuüm (UHV), vaak onder cryogene omstandigheden.

Het artikel met de titel "Een robuuste moleculaire sonde voor analyse op schaal van ngstrom in vloeistoffen", dat vandaag verscheen in Nature Communications , schetst het onderzoek en de bevindingen.

Ik sprak met Peter, die gespecialiseerd is in moleculaire oppervlaktewetenschap en scanning probe microscopie in vloeistoffen, om meer te weten te komen over zijn onderzoek.

Welk element van het ontwerp van de sonde zorgde voor de hoge resolutie die u in uw paper bereikte?

Peter Nirmalraj: We gingen van het gebruik van een niet-gefunctionaliseerde gouden STM-sonde naar het chemisch beëindigen van de top van de STM-sonde met een enkele koolstof-60 (C₆₀ ) molecuul, dat de reactiviteit van de sonde-apex vermindert en de ruimtelijke informatie-inhoud van het onderzochte materiaal kan verbeteren. Tot nu toe was dit niveau van controle en reikwijdte in informatie atoom-voor-atoom op 2D-materialen niet triviaal om te bereiken in vloeistoffen bij kamertemperatuur.

Wat is er specifiek aan beeldvorming onder standaard laboratoriumomstandigheden, in tegenstelling tot de gebruikelijke UHV- en cryogene omstandigheden?

PN: De grootste uitdaging ligt in de stabiliteit van het enkele molecuul aan de top van de punt van de sonde. Stel je een omgekeerde berg voor en plaats een kers op zijn top - dat is de schaal waar we ons mee bezig houden. Onder cryogene omstandigheden is het contact veel stabieler omdat het minimale fluctuaties heeft, maar bij kamertemperatuur is het molecuul energetisch en dynamisch actief. Dit heeft de neiging te resulteren in een onstabiel moleculair STM-probecomplex. Hier laten we zien dat een delicate sonde bij kamertemperatuur kan worden gestabiliseerd in vloeistoffen met een hoge dichtheid, die in staat zijn om de beweging van het molecuul dat verankerd is rond de apex van de STM-metalen sonde te minimaliseren.

Van links naar rechts:Fullereen-getermineerde gouden STM-sonde. Een enkel-atomaire zeshoek van monolaag grafeen die de koolstofatoomplaatsen binnen het grafeenrooster toont. Atoomstructuur van 2D-molybdeendisulfide, waar de atoomsoort selectief kan worden geanalyseerd.

Het World Economic Forum noemde 2D-materialen een van de top 10 opkomende technologieën van 2016. Wat is in dit verband de betekenis van de hoge resolutie waarmee je atoom-voor-atoom beeldvorming van 2D-materialen in vloeistoffen kunt uitvoeren?

PN: Een beter begrip van de eigenschappen van 2D-materialen die onder praktijkomstandigheden worden gewonnen, zal doorslaggevend zijn als robuuste apparaten op basis van dergelijke opwindende materialen moeten worden gerealiseerd. Nauwkeurige kennis van de omgevingscompatibiliteit, de robuustheid van het milieu en de elektronische eigenschappen van 2D-materialen zou een groot voordeel zijn voor fabrikanten van apparaten zoals dunnefilmtransistors of transparante en flexibele elektronische apparaten op basis van 2D-materialen.

"Onze techniek maakt snellere en betrouwbaardere structurele en elektronische vingerafdrukken mogelijk van een snel groeiend geheel van 2D-materialen."

—Peter Nirmalraj, IBM-onderzoeker

Bij het opschalen van de karakterisering van deze materialen hebben we met succes de hoogst mogelijke resolutie tot nu toe gecombineerd onder experimenteel uitdagende omstandigheden. Het overbruggen van deze kloof geeft de informatie grote waarde en heeft directe implicaties in 2D-materiaalgebaseerde apparaatengineering.

Welke stappen moeten er worden ondernomen om de beeldvorming op vloeistof-vaste grensvlakken vooruit te helpen?

PN: De volgende test ligt in het toepassen van deze techniek om afzonderlijke moleculaire elementen op te lossen met submoleculaire resolutie. Zowel vanuit experimenteel als theoretisch oogpunt moeten we meer begrijpen over de koppelingsmechanismen tussen het molecuul en de punt in aanwezigheid van het omringende vloeibare medium, en over de elektronische en structurele impact van het molecuul door de waargenomen verbeteringen in ruimtelijk contrast te onderzoeken. .