Met een enkel molecuul als sensor, wetenschappers in Jülich hebben met succes elektrische potentiaalvelden met ongeëvenaarde precisie in beeld gebracht. De beelden met ultrahoge resolutie geven informatie over de verdeling van ladingen in de elektronenschillen van afzonderlijke moleculen en zelfs atomen. De 3D-techniek is ook contactloos. De eerste resultaten die zijn bereikt met behulp van "scanning quantum dot microscopie" zijn gepubliceerd in het huidige nummer van Fysieke beoordelingsbrieven . De gerelateerde publicatie werd gekozen als suggestie van de redacteur en geselecteerd als een gezichtspunt in het wetenschapsportaal Physics. De techniek is relevant voor diverse wetenschappelijke gebieden, waaronder onderzoek naar biomoleculen en halfgeleidermaterialen.

"Onze methode is de eerste die elektrische velden nabij het oppervlak van een monster kwantitatief afbeeldt met atomaire precisie op sub-nanometerschaal, " zegt Dr. Ruslan Temirov van Forschungszentrum Jülich. Dergelijke elektrische velden omringen alle nanostructuren als een aura. Hun eigenschappen verschaffen informatie, bijvoorbeeld, over de verdeling van ladingen in atomen of moleculen.

Voor hun metingen, de Jülich-onderzoekers gebruikten een atoomkrachtmicroscoop. Dit werkt een beetje als een platenspeler:een punt beweegt over het monster en vormt samen een compleet beeld van het oppervlak. Om elektrische velden tot nu toe in beeld te brengen, wetenschappers hebben het hele voorste deel van de scantip gebruikt als een Kelvin-sonde. Maar het grote verschil in grootte tussen de punt en het monster veroorzaakt resolutieproblemen - als we ons zouden voorstellen dat een enkel atoom even groot was als een speldenkop, dan zou de punt van de microscoop zo groot zijn als het Empire State Building.

Enkel molecuul als sensor

Om de resolutie en gevoeligheid te verbeteren, de wetenschappers in Jülich bevestigden een enkel molecuul als een kwantumpunt aan de punt van de microscoop. Quantum dots zijn kleine structuren, met een diameter van niet meer dan enkele nanometers, die als gevolg van kwantumopsluiting alleen bepaalde, discrete toestanden vergelijkbaar met het energieniveau van een enkel atoom.

Het molecuul aan het uiteinde van de microscoop werkt als een bundelbalans, die naar de ene of de andere kant kantelt. Een verschuiving in de ene of de andere richting komt overeen met de aanwezigheid of afwezigheid van een extra elektron, die ofwel van de punt naar het molecuul springt of niet. De "moleculaire" balans vergelijkt geen gewichten, maar eerder twee elektrische velden die inwerken op het mobiele elektron van de moleculaire sensor:de eerste is het veld van een nanostructuur die wordt gemeten, en de tweede is een veld rond de punt van de microscoop, die een spanning draagt.

"De spanning aan de punt wordt gevarieerd totdat evenwicht is bereikt. Als we weten welke spanning is aangelegd, we kunnen het veld van het monster bepalen op de positie van het molecuul, " legt Dr. Christian Wagner uit, een lid van Temirov's Young Investigators-groep aan het Peter Grünberg-instituut in Jülich (BGA-3). "Omdat de hele moleculaire balans zo klein is, bestaande uit slechts 38 atomen, we kunnen een zeer scherp beeld maken van het elektrische veld van het monster. Het is een beetje zoals een camera met hele kleine pixels."

Universeel toepasbaar

Op de methode is patent aangevraagd, die bijzonder geschikt is voor het meten van ruwe oppervlakken, bijvoorbeeld die van halfgeleiderstructuren voor elektronische apparaten of gevouwen biomoleculen. "In tegenstelling tot veel andere vormen van scanning probe microscopie, scanning quantum dot microscopie kan zelfs werken op een afstand van enkele nanometers. In de nanowereld dit is een behoorlijke afstand, " zegt Christian Wagner. Tot nu toe, de in Jülich ontwikkelde techniek is alleen toegepast in hoogvacuüm en bij lage temperaturen:essentiële voorwaarden om het enkele molecuul zorgvuldig aan de punt van de microscoop te hechten.

"In principe, variaties die bij kamertemperatuur zouden werken zijn denkbaar, " gelooft de fysicus. Andere vormen van kwantumstippen zouden als sensor kunnen worden gebruikt in plaats van het molecuul, zoals die met halfgeleidermaterialen kunnen worden gerealiseerd:een voorbeeld zijn kwantumdots gemaakt van nanokristallen zoals die al worden gebruikt in fundamenteel onderzoek.