(PhysOrg.com) -- Sinds de eerste optische microscopen aan het eind van de 17e eeuw verschenen - een exacte datum en de oorspronkelijke uitvinder ontwijken precieze identificatie - is microscopie enorm geëvolueerd. Scanning tunneling microscopie (STM), atomaire krachtmicroscopie (AFM) en (hoewel niet algemeen erkend als een gevestigde methode) puntcontactmicroscopie (PCM) stellen wetenschappers in staat objecten te bekijken die ontoegankelijk zijn voor optische microscopen, met afbeeldingen van atomen die nu alledaags zijn. Hoe dan ook, zelfs deze onverbiddelijke mars naar steeds kleinere schalen heeft beperkingen ondervonden. (Bijvoorbeeld, STM geeft geen informatie over lokale chemie, terwijl PCM individuele atomen niet adequaat kan afbeelden omdat het geen enkel atoomcontact heeft.)

Echter, onderzoek uitgevoerd in de Nanoscale Science Department van het Max Plank Institute for Solid State Research in Stuttgart, Duitsland heeft de volgende stap gedemonstreerd: kwantumpuntcontactmicroscopie (QPCM), die enkele atomen gebruikt bij het contact tussen punt en oppervlak om de atomaire structuur van geleidende oppervlakken te bepalen en, Voor de eerste keer, bieden afbeeldingen van gestapelde atomen in de echte ruimte. Bovendien, QPCM kan ook worden gebruikt om kwantumtransport te bestuderen, en door moleculen als contact te gebruiken om mogelijk specifieke chemische kenmerken van het gescande oppervlak te identificeren.

Het onderzoeksteam – Yong-hui Zhang, werken met Peter Wahl en professor Klaus Kern - baseerden hun QPCM-techniek op lage temperatuur STM, en in feite werkt QPCM in een scanning-tunnelmicroscoop bij lage temperatuur bij ~ 6 K (-267 ° C) in een ultrahoog vacuüm. Echter, terwijl STM meestal wordt gebruikt bij een geleiding ver onder a geleiding kwantum – een gekwantiseerde eenheid van geleidbaarheid, vertegenwoordigd door G ₀ – QPCM wordt gebruikt bij conductanties tot enkele conductantiequanta. “De grootste uitdaging bij het ontwerpen en implementeren van de QPCM-techniek, " zegt Zhang, "is het handhaven van een stabiele atomaire configuratie bij het contact met één atomair punt tijdens beeldvorming, aangezien er een grote spanning is in het puntcontact en dus de atomaire configuratie vaak erg kwetsbaar is voor elke kleine mechanische verstoring” Aangezien de spanning in een tunnelovergang veel minder is dan in het puntcontact, instabiliteit aan de top van de punt voor STM-beeldvorming is minder zorgwekkend dan voor QPCM.

Het team maakte ook gebruik van eerder onderzoek in het veld. “De afgelopen jaren is de vorming van een enkel atomair puntcontact op edelmetaaloppervlakken intensief bestudeerd door STM in de groep van Prof. Richard Berndt aan de Universiteit van Kiel in Duitsland, ' merkt Zhang op. Het team van Berndt toonde aan dat geleiding over enkel zilver en koper adatoms (atomen geadsorbeerd op een oppervlak) vertoont een soepele en reproduceerbare overgang van tunneling naar contactregime, wat aantoont dat een stabiel contact kan worden gevormd als de contactpunt verticaal een enkel metaalatoom op edelmetaaloppervlakken nadert. “In ons werk "Zhang voegt eraan toe, "QPCM-beeldvorming wordt uitgevoerd na het tot stand brengen van een stabiel contact door het contact in een vlak parallel aan het oppervlak in scanmodus met constante hoogte te scannen en de stroom op te nemen. We vonden dat de structuur van de puntapex zowel de stabiliteit van het atomaire contact als de beeldkwaliteit van QPCM sterk beïnvloedt, waar verbeteringen worden aangebracht door de tip apex door te trainen, bijvoorbeeld herhaalde inkeping van de tip in het metalen substraat.”

Zhang wijst er ook op dat de techniek van QPCM-beeldvorming zelf niet helemaal nieuw is:gemanipuleerde atomaire beeldvorming werd voor het eerst gerapporteerd door J.A. Stroscio bij NIST in 2004 en door Berndts groep in 2010, waar beide demonstreerden dat een adatom zijdelings werd gemanipuleerd door de STM-tip tijdens beeldvorming in de modus met constante stroom. "De gemanipuleerde atoombeeldvorming kan als hetzelfde worden beschouwd als de QPCM-beeldvorming, ” Zhang wijst erop, “ondanks het feit dat ze in een andere scanmodus werken en de eerste wordt gebruikt om met een lagere geleidbaarheid te werken. De nieuwigheid van ons werk ligt in de QPCM-studie van een gouden (Au(111)) oppervlaktereconstructie en een ijzer-platina oppervlaktelegering (FePt), waar gevonden wordt dat de lokale atomaire stapeling en chemische samenstelling de transportstroom door het atomaire contact beïnvloeden.” Het belangrijkste van het onderzoek van Zhang et al is dat het interpreteren van het QPCM-beeld wordt vergemakkelijkt door in de modus met constante hoogte te werken, en daarom is feedbackcontrole van de scanpunt geen probleem.

Bovendien, Zhang voegt toe, "Ons werk toont aan dat QPCM meer oppervlakte-informatie kan onthullen dan STM. Daarom kan de QPCM-techniek nuttig zijn bij experimenteel onderzoek naar oppervlaktekarakterisering.”

Er is ook ruimte voor verbetering. “Een voordeel van de QPCM-techniek is dat STM- en QPCM-beeldvorming gemakkelijk kan worden gecombineerd, ' merkt Zhang op. “In de toekomst het zal erg leuk zijn om een ​​computerprogramma te gebruiken om het scanpad van het contact te begeleiden tijdens QPCM-beeldvorming, waardoor gebieden op het oppervlak in het STM-beeld worden vermeden die mogelijk de atomaire configuratie van het contact kunnen vernietigen. Deze maatregel zal naar verwachting de kans op succes bij het uitvoeren van QPCM-beeldvorming vergroten.”

De toekomst biedt ook de mogelijkheid dat QPCM een impact heeft op een reeks apparaten en toepassingen. “QPCM-techniek kan de ontwikkeling van nano-elektronica of andere relevante toepassingen bevorderen, ' merkt Zhang op. "Een goed begrip en controle van elektronisch transport in objecten op nanoschaal zal helpen bij het ontwerpen en ontwikkelen van apparaten op nanoschaal, zoals moleculaire transistors en sensoren, of nanodraden die nano-elektronische componenten met elkaar verbinden. Ons werk toont aan dat de QPCM-techniek de invloed van lokale atomaire stapeling en chemische samenstelling op de transportgeleiding kan onderzoeken, daardoor ons begrip van kwantumtransport verbeteren.”

Wat betreft de volgende stappen in hun onderzoek, Zhang concludeert, “Na het bestuderen van oppervlaktereconstructie en oppervlaktelegering met QPCM, de volgende stap is de QPCM-studie van elektronische toestanden aan de oppervlakte. Naast het vermogen om de atomaire stapeling aan het oppervlak en de chemische samenstelling te onderzoeken, de QPCM-techniek zal naar verwachting ook de invloed van lokale elektronische toestandsdichtheid op de transportstroom door het atomaire contact onthullen."

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.