De resolutie van scanning tunneling microscopen kan drastisch worden verbeterd door kleine moleculen of atomen aan hun punt te bevestigen. De resulterende afbeeldingen waren de eerste die de geometrische structuur van moleculen lieten zien en hebben de afgelopen jaren veel interesse gewekt bij wetenschappers. Wetenschappers van Forschungszentrum Jülich en de Academie van Wetenschappen van de Tsjechische Republiek in Praag hebben nu computersimulaties gebruikt om dieper inzicht te krijgen in de fysica van deze nieuwe beeldvormingstechnieken. Een van deze technieken werd gepresenteerd in het tijdschrift Wetenschap door Amerikaanse wetenschappers dit voorjaar. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"Een vergelijking tussen de experimentele resultaten en onze simulaties laat een uitstekende overeenkomst zien en dat, daarom, ons theoretische model kan het mechanisme achter de microscopische beelden in deze familie van technieken verklaren, " zegt prof. Tautz van Forschungszentrum Jülich. "Deze vergelijking is essentieel voor het analyseren van de beelden."

Samen met zijn collega's van het Peter Grünberg Instituut (BGA-3), in 2008 introduceerde Tautz de methode om afzonderlijke moleculen aan elkaar te hechten - aanvankelijk waterstofmoleculen, latere moleculen zoals koolmonoxide – naar de punt van een scanning tunneling microscoop en gebruiken ze als uiterst gevoelige meetsondes. De wetenschappelijke gemeenschap reageerde met grote belangstelling op deze methode, en de techniek is sindsdien voortdurend verfijnd. Hierdoor kunnen scanning tunneling microscopen worden gebruikt als een soort atoomkrachtmicroscoop die in staat is om de geometrische structuur van moleculen met ongekende nauwkeurigheid in beeld te brengen.

"De valentie-ladingswolken van complexe organische moleculen verspreiden zich vaak over het hele molecuul, waardoor de atomaire structuur wordt verborgen, ", zegt Tautz. Flexibel gebonden moleculen aan de punt van de microscoop kunnen worden gebruikt als op maat gemaakte sensoren en signaaltransducers die de atomaire structuur toch zichtbaar kunnen maken.

In de afgelopen jaren, dergelijke atomaire sensoren zijn ook nuttig gebleken voor het werken met atomaire krachtmicroscopen. Vervolgens, in mei 2014, wetenschappers van de Universiteit van Californië, Irvine, toonde voor het eerst aan dat deze sensoren ook kunnen worden gebruikt om signalen te verbeteren in een verwante beeldvormingsmodus die bekend staat als inelastische elektronentunnelspectroscopie. In dit geval, het is de trilling van het sensormolecuul tegen de microscooppunt die gevoelig reageert op de oppervlaktepotentiaal van het gescande monster.

"Onze berekeningen tonen het effect van de elektrostatische krachten op de AFM met hoge resolutie, STM, en IETS-beelden", legt Dr. Pavel Jelínek uit van het Instituut voor Natuurkunde aan de Academie van Wetenschappen van de Tsjechische Republiek in Praag. "Wij zijn van mening dat de resultaten van dit werk een belangrijke bijdrage leveren aan het gebruik van inelastische elektronentunnelspectroscopie, waardoor de techniek kan worden gebruikt als een aanvullende informatiebron in de materiaalkunde en om aanvullende parameters uit de afbeeldingen af ​​te leiden."