Een team van onderzoekers uit Jülich heeft in samenwerking met de Universiteit van Magdeburg een nieuwe methode ontwikkeld om de elektrische potentialen van een monster op atomaire nauwkeurigheid te meten. Met behulp van conventionele methoden, het was tot nu toe vrijwel onmogelijk om de elektrische potentialen die optreden in de directe nabijheid van individuele moleculen of atomen kwantitatief vast te leggen. De nieuwe scanning quantum dot microscopie methode, die onlangs in het tijdschrift werd gepresenteerd Natuurmaterialen door wetenschappers van Forschungszentrum Jülich samen met partners van twee andere instellingen, zou nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor de fabricage van chips of de karakterisering van biomoleculen zoals DNA.

De positieve atoomkernen en negatieve elektronen waaruit alle materie bestaat, produceren elektrische potentiaalvelden die elkaar superponeren en compenseren, zelfs over zeer korte afstanden. Conventionele methoden staan ​​kwantitatieve metingen van deze kleine velden niet toe, die verantwoordelijk zijn voor veel materiaaleigenschappen en functies op nanoschaal. Vrijwel alle gevestigde methoden die dergelijke potentialen in beeld kunnen brengen, zijn gebaseerd op het meten van krachten die worden veroorzaakt door elektrische ladingen. Toch zijn deze krachten moeilijk te onderscheiden van andere krachten die op nanoschaal optreden, wat kwantitatieve metingen verhindert.

Vier jaar geleden, echter, wetenschappers van Forschungszentrum Jülich ontdekten een methode gebaseerd op een heel ander principe. Bij het scannen van kwantumdotmicroscopie wordt een enkel organisch molecuul - de kwantumdot - aan de punt van een atoomkrachtmicroscoop bevestigd. Dit molecuul dient dan als een sonde. "Het molecuul is zo klein dat we op een gecontroleerde manier individuele elektronen van de punt van de atoomkrachtmicroscoop aan het molecuul kunnen hechten, " legt Dr. Christian Wagner uit, hoofd van de groep Gecontroleerde Mechanische Manipulatie van Moleculen bij het Peter Grünberg Instituut in Jülich (BGA-3).

De onderzoekers zagen meteen hoe veelbelovend de methode was en dienden een octrooiaanvraag in. Echter, praktische toepassing was nog ver weg. "In eerste instantie het was gewoon een verrassend effect dat beperkt toepasbaar was. Dat is nu allemaal veranderd. We kunnen niet alleen de elektrische velden van individuele atomen en moleculen visualiseren, we kunnen ze ook precies kwantificeren, " legt Wagner uit. "Dit werd bevestigd door een vergelijking met theoretische berekeningen uitgevoerd door onze medewerkers uit Luxemburg. In aanvulling, we kunnen grote delen van een monster in beeld brengen en zo verschillende nanostructuren tegelijk laten zien. En voor een gedetailleerd beeld hebben we maar één uur nodig."

De Jülich-onderzoekers deden jarenlang onderzoek naar de methode en ontwikkelden uiteindelijk een coherente theorie. De reden voor de zeer scherpe beelden is een effect waardoor de punt van de microscoop op een relatief grote afstand van het monster blijft, ruwweg twee tot drie nanometer - onvoorstelbaar voor een normale atoomkrachtmicroscoop.

In deze context, het is belangrijk om te weten dat alle elementen van een monster elektrische velden opwekken die de quantum dot beïnvloeden en dus gemeten kunnen worden. De punt van de microscoop fungeert als een beschermend schild dat de storende velden van verder weg gelegen delen van het monster dempt. "De invloed van de afgeschermde elektrische velden neemt dus exponentieel af, en de kwantumstip detecteert alleen de directe omgeving, " legt Wagner uit. "Onze resolutie is dus veel scherper dan je zou verwachten van zelfs een ideale puntsonde."

De Jülich-onderzoekers danken de snelheid waarmee het volledige monsteroppervlak kan worden gemeten aan hun partners van de Otto von Guericke University Magdeburg. Ingenieurs daar ontwikkelden een controller die hielp om het complex te automatiseren, herhaalde volgorde van het scannen van het monster. "Een atoomkrachtmicroscoop werkt een beetje als een platenspeler, "zegt Wagner. "De punt beweegt over het monster en vormt samen een compleet beeld van het oppervlak. In eerder scanning quantum dot microscopie werk, echter, we moesten verhuizen naar een individuele site op het monster, een spectrum meten, ga naar de volgende site, een ander spectrum meten, enzovoort, om deze metingen te combineren in één beeld. Met de Magdeburgse ingenieurscontroller, we kunnen nu eenvoudig het hele oppervlak scannen, net als het gebruik van een normale atoomkrachtmicroscoop. Terwijl het ons vroeger 5-6 uur kostte voor een enkel molecuul, we kunnen nu monstergebieden met honderden moleculen in slechts één uur in beeld brengen."

Er zijn ook enkele nadelen, echter. Het voorbereiden van de metingen kost veel tijd en moeite. Het molecuul dat als kwantumpunt voor de meting dient, moet vooraf aan de punt worden bevestigd - en dit kan alleen in vacuüm bij lage temperaturen. In tegenstelling tot, normale atoomkrachtmicroscopen werken ook bij kamertemperatuur, zonder dat een vacuüm of ingewikkelde voorbereidingen nodig zijn.

En toch, Prof. Stefan Tautz, directeur bij PGI-3, is optimistisch:"Dit hoeft onze mogelijkheden niet te beperken. Onze methode is nog nieuw, en we zijn enthousiast over de eerste projecten, zodat we kunnen laten zien wat het echt kan."

Er zijn veel toepassingsgebieden voor kwantumdotmicroscopie. Halfgeleiderelektronica verlegt schaalgrenzen in gebieden waar een enkel atoom een ​​verschil kan maken voor functionaliteit. Elektrostatische interactie speelt ook een belangrijke rol in andere functionele materialen, zoals katalysatoren. De karakterisering van biomoleculen is een andere weg. Dankzij de relatief grote afstand tussen de punt en het monster, de methode is ook geschikt voor ruwe oppervlakken, zoals het oppervlak van DNA-moleculen, met hun karakteristieke 3D-structuur.