De trilling van een molecuul op een oppervlak bevat kritische informatie over de interactie tussen molecuul en oppervlak, cruciaal voor het begrijpen van oppervlaktefenomenen en voor belangrijke processen zoals katalyse. Het werd eerder onderzocht met een scanning probe microscopie, maar de tip van de sonde leek een kracht uit te oefenen op het molecuul, die de trilling beïnvloeden. Hier, door STM te combineren, AFM en modelberekeningen, de experimentele resultaten werden nauwkeurig gereproduceerd; de interacties tussen het molecuul en het oppervlak werden verzwakt door de nabijheid van de sondepunt.

Een molecuul geadsorbeerd op een oppervlak (Figuur 1A) trilt op het oppervlak (Figuur 1B). De trillingsenergie wordt bepaald door de massa van het molecuul en door de herstellende krachten die op het molecuul worden uitgeoefend. De herstellende kracht komt voort uit de interactie binnen het molecuul en met het oppervlak. Door de trillingsenergie te meten, daarom, we zijn in staat om details te leren van de interactie van een molecuul en een oppervlak. Deze kennis is nuttig bij het begrijpen van belangrijke processen in de toegepaste wetenschappen, zoals katalytische reacties die plaatsvinden op een oppervlak.

Aangezien de trillingsenergie van een molecuul voor een groot deel afhangt van de omgeving van het molecuul, het is noodzakelijk om de trillingsenergie van een individueel molecuul te meten om een ​​diep begrip te krijgen van de interactie van een molecuul en een oppervlak, rekening houdend met de omgeving. Bijvoorbeeld, een enkel molecuul geïsoleerd op een enkel kristaloppervlak zoals weergegeven in figuur 1A is een ideaal doelwit van dit soort onderzoek.

De trillingsenergie van een enkel molecuul kan worden onderzocht, met een scanning tunneling microscoop (STM), door de metalen sonde van STM recht boven het molecuul te plaatsen en door de stroom nauwkeurig te meten door de spanning tussen de sonde van STM en het oppervlak te veranderen. Zoals weergegeven in figuur 2A, de stroom (I) en de spanning (V) vertonen een ongeveer lineair verband, waarvan de tweede afgeleide (V-derivaat van dI/dV) een piek- en dalpaar vertoont zoals weergegeven in figuur 2B. Het piek- en dalpaar komt overeen met de trillingsenergie van een molecuul. Dus, met behulp van deze methode, de trillingsenergie van een enkel molecuul kan worden bepaald.

Eerder werd gemeld, echter, dat wanneer een metalen sonde heel dicht bij een molecuul werd geplaatst om de stroom te meten, de sondepunt zelf oefende een kracht uit op het molecuul, invloed op zijn trillingsenergie. In dit onderzoek, we hebben de kracht tussen de sonde en het molecuul gemeten met een atoomkrachtmicroscoop (AFM) en de trillingsenergie met STM om hun relatie op te helderen.

De huidige studie werd uitgevoerd door een samenwerking van onderzoekers van de Kanazawa University, Japan, Universiteit van Regensburg, Duitsland, en Linnaeus Universiteit, Zweden. De experimenten werden gedaan aan de Universiteit van Regensburg.

De kracht tussen een sonde en een molecuul werd gemeten met behulp van de krachtsensor ontwikkeld door Prof. Giessibl, Universiteit van Regensburg, Duitsland, een co-auteur van de studie. De steun die met de krachtsensor was bevestigd, werd geoscilleerd met een resonantiefrequentie (ongeveer 50 kHz) van de cantilever van de sensor om de cantilever effectief te oscilleren. Aan het uiteinde van de cantilever was een metalen sonde bevestigd, waar de sondepunt uit slechts één atoom bestond. Door de sondetip in de buurt van een op het oppervlak geadsorbeerd molecuul te plaatsen, er ontstaat een kracht tussen het molecuul en de sondepunt, die de resonantiefrequentie van de cantilever verandert. Van zulke veranderingen de kracht tussen de sondepunt en het molecuul kan worden bepaald. Figuur 3A toont de experimentele gegevens met betrekking tot de kracht die ontstaat tussen de sondepunt en CO-molecuul geadsorbeerd op een koperen oppervlak bij het veranderen van de afstand tussen de sondepunt en CO-molecuul; een set gegevens wordt vergeleken met een andere set met een andere probetip. Deze vergelijking geeft het verschil aan in de krachten die door de twee verschillende sondepunten op het molecuul worden uitgeoefend. Elke sondetip bestaat uit slechts één atoom, maar het verschil in de structuur achter het enkele atoom beïnvloedt de uitgeoefende krachten.

Na de krachtmetingen de trillingsenergie werd onderzocht door nauwkeurig de stroom te meten die werd opgewekt door een spanning aan te leggen tussen de sondepunt en het oppervlak. Figuur 3B toont de verandering van de trillingsenergie bij het veranderen van de afstand tussen de sondepunt en het molecuul. De sondepunt die de grotere aantrekkende kracht uitoefent, beïnvloedt de trillingsenergie van het molecuul in grotere mate.

Volgende, de experimentele resultaten werden geanalyseerd met behulp van een klassiek model dat de vibratie van een molecuul beschouwt als een dubbele slinger. Met een gewone slinger, zwaartekracht zorgt voor een herstellende kracht, terwijl in deze studie, de bindingen binnen het molecuul en tussen het molecuul en het oppervlak zorgden voor een herstellende kracht. De trillingsenergie werd berekend met behulp van dit slingermodel, rekening houdend met de krachten die optreden tussen de sondepunt en het molecuul. In aanvulling, er werd ook rekening mee gehouden dat de krachten uitgeoefend door de sondepunt de bindingen binnen het molecuul en tussen het molecuul en het oppervlak verzwakten. Dit model reproduceerde met succes en nauwkeurig de experimentele resultaten.

De huidige studie verdiept ons begrip van de interactie van een molecuul en een oppervlak en van de interactie van een sondepunt en een molecuul aanzienlijk. In dit onderzoek, een eenvoudig molecuul, CO, met een zeer eenvoudige moleculaire structuur is gebruikt als doelwit van onderzoek. De verwachting is dat deze studie verder onderzoek zal stimuleren naar moleculen met een meer gecompliceerde structuur en technologisch belang. Er wordt ook verwacht dat de binding tussen een molecuul en een oppervlak wordt verbroken door een metalen sondepunt, die kunnen worden toegepast op processen die chemische reacties induceren.