Illustrazione di QPCM su una superficie Cu(111). (A) Modello schematico che dimostra il principio di funzionamento di QPCM. I cerchi e le frecce grigie indicano il movimento della punta e il contatto atomico Cu. (B) Conduttanza G in funzione della distanza di avvicinamento della punta d acquisita con la punta in cima a un adatomo di Cu. (C) immagine QPCM con la stessa dimensione di scansione del riquadro in (B); viene mostrata la scansione in avanti (da sinistra a destra). (D) Scansione all'indietro (da destra a sinistra) acquisita contemporaneamente all'immagine mostrata in (C). (E) Immagine a corrente costante di un arco di gradino su Cu(111). I modelli di onde stazionarie provenienti dallo stato superficiale sono chiaramente visibili nell'immagine. (F) Immagine QPCM della stessa area come mostrato in (E). La diminuzione della conduttanza dall'alto verso il basso dell'immagine è dovuta al fatto che il piano in cui la punta scansiona è leggermente inclinato rispetto alla superficie. Ristampato con il permesso di Quantum Point Contact Microscopy, Yong-hui Zhang et al., Nano lettere, 26 luglio 2011, Copyright © 2011 American Chemical Society
(PhysOrg.com) -- Da quando sono comparsi i primi microscopi ottici alla fine del 1600 - una data esatta e l'inventore originale eludono un'identificazione precisa - la microscopia si è evoluta notevolmente. Microscopia a scansione a effetto tunnel (STM), la microscopia a forza atomica (AFM) e (sebbene non generalmente riconosciuta come un metodo consolidato) la microscopia a contatto puntuale (PCM) consentono agli scienziati di visualizzare oggetti inaccessibili ai microscopi ottici, con immagini di atomi ormai comuni. Tuttavia, anche questa inesorabile marcia verso scale sempre più piccole ha incontrato dei limiti. (Per esempio, STM non fornisce informazioni sulla chimica locale, mentre il PCM non può rappresentare adeguatamente i singoli atomi a causa del fatto che non ha un contatto con un singolo atomo.)
Però, ricerca condotta nel dipartimento di scienze su nanoscala presso il Max Plank Institute for Solid State Research di Stoccarda, La Germania ha dimostrato il passo successivo: microscopia di contatto a punto quantistico (QPCM), che utilizza singoli atomi al contatto tra punta e superficie per determinare la struttura atomica delle superfici conduttrici e, per la prima volta, fornire immagini di atomi impilati nello spazio reale. Inoltre, QPCM può essere utilizzato anche per studiare il trasporto quantistico, e utilizzando molecole come contatto per identificare potenzialmente caratteristiche chimiche specifiche della superficie scansionata.
Il gruppo di ricerca - Yong-hui Zhang, lavorando con Peter Wahl e il professor Klaus Kern - hanno basato la loro tecnica QPCM su STM a bassa temperatura, e infatti QPCM opera in un microscopio a effetto tunnel a scansione a bassa temperatura a ~6 K (-267 ° C) in un vuoto ultra spinto. Però, mentre STM è di solito operato a conduttanza molto al di sotto di a quanto di conduttanza – un'unità quantizzata di conduttanza, rappresentato da G 0 – Il QPCM funziona con conduttanze fino a pochi quanti di conduttanza. “La sfida principale nella progettazione e implementazione della tecnica QPCM, "dice Zhang, “è quello di mantenere una configurazione atomica stabile in corrispondenza del singolo punto di contatto atomico durante l'imaging, poiché c'è una grande sollecitazione all'interno del contatto puntuale e quindi la configurazione atomica è spesso molto vulnerabile a qualsiasi piccola perturbazione meccanica" Poiché la sollecitazione in una giunzione a tunnel è molto inferiore rispetto al contatto puntuale, l'instabilità all'apice della punta per l'imaging STM è meno preoccupante di quanto non lo sia per QPCM.
Il team ha anche sfruttato la ricerca precedente nel campo. “La formazione di un singolo punto di contatto atomico su superfici di metalli nobili è stata intensamente studiata da STM nel gruppo del Prof. Richard Berndt presso l'Università di Kiel in Germania negli ultimi anni, ” nota Zhang. Il team di Berndt ha dimostrato che la conduttanza su argento e rame singoli adatomi (atomi adsorbiti su una superficie) mostra una transizione graduale e riproducibile dal regime di tunneling al regime di contatto, dimostrando che un contatto stabile può essere formato quando la punta di contatto si avvicina verticalmente a un singolo adatomo di metallo su superfici di metallo nobile. “Nel nostro lavoro, Zhang aggiunge, “L'imaging QPCM viene eseguito dopo aver stabilito un contatto stabile scansionando il contatto su un piano parallelo alla superficie in modalità di scansione ad altezza costante e registrando la corrente. Abbiamo scoperto che la struttura dell'apice della punta influenza fortemente sia la stabilità del contatto atomico che la qualità dell'immagine di QPCM, dove i miglioramenti si ottengono allenando l'apice della punta, per esempio ripetute indentazioni di punta nel substrato metallico.
Immagine QPCM di una lega superficiale ferro-platino (FePt). (A) Tunneling dell'immagine a corrente costante di un bordo del gradino sulla superficie Pt(111) preparata con la lega superficiale FePt prima di eseguire il QPCM con l'adatom (che è stato posato dalla punta) nella parte superiore centrale dell'immagine. La disomogeneità spaziale osservata sul terrazzo deriva da stati elettronici dovuti alla lega. (B) immagine QPCM della stessa area di (A); può esistere uno spostamento laterale inferiore a 1 rispetto ad (A). Si riscontra un leggero aumento della conduttanza dall'alto verso il basso a causa dello scorrimento piezoelettrico durante la scansione. In contrasto con l'immagine del tunneling in (A), l'immagine QPCM risolve le differenze di conduttanza su scala atomica sulla terrazza in lega e la struttura atomica del bordo del gradino. (C) Modello strutturale dell'unità strutturale 2 x 1 come indicato in (B) e modello di conduttanza calcolato ad esso associato. Gli atomi mostrati più luminosi sono negli strati inferiori (i primi tre strati mostrati). Il modello di conduttanza è ottenuto da un modello di calcolo. Le aree più scure rappresentano una conduttanza inferiore. Ristampato con il permesso di Quantum Point Contact Microscopy, Yong-hui Zhang et al., Nano lettere, 26 luglio 2011, Copyright © 2011 American Chemical Society
Zhang sottolinea inoltre che la tecnica dell'imaging QPCM non è di per sé del tutto nuova:l'imaging atomico manipolato è stato segnalato per la prima volta da J.A. Stroscio al NIST nel 2004 e dal gruppo di Berndt nel 2010, dove entrambi hanno dimostrato che un adatom viene manipolato lateralmente dalla punta STM durante l'imaging in modalità a corrente costante. "L'imaging dell'atomo manipolato potrebbe essere considerato lo stesso dell'imaging QPCM, ” sottolinea Zhang, “nonostante il fatto che operino con modalità di scansione diverse e la prima sia utilizzata per operare a conduttanze inferiori. La novità del nostro lavoro risiede nello studio QPCM di una ricostruzione superficiale in oro (Au(111)) e di una lega superficiale ferro-platino (FePt), dove si trova che l'impilamento atomico locale e la composizione chimica influenzano la corrente di trasporto attraverso il contatto atomico." La chiave della ricerca di Zhang et al è che l'interpretazione dell'immagine QPCM è facilitata operando in modalità ad altezza costante, e quindi il controllo del feedback della punta di scansione non è un problema.
Inoltre, Zhang aggiunge, “Il nostro lavoro dimostra che QPCM può rivelare più informazioni di superficie rispetto a STM. Pertanto la tecnica QPCM può essere utile nella ricerca sperimentale di caratterizzazione superficiale.”
C'è anche spazio per miglioramenti. “Un vantaggio della tecnica QPCM è che le immagini STM e QPCM possono essere facilmente combinate, ” nota Zhang. “In futuro, sarà molto carino utilizzare un programma per computer per guidare il percorso di scansione del contatto durante l'imaging QPCM, evitando così aree sulla superficie nell'immagine STM che possono potenzialmente distruggere la configurazione atomica del contatto. Si prevede che questa misura aumenterà le possibilità di successo nell'esecuzione dell'imaging QPCM.
Il futuro riserva anche la possibilità che QPCM abbia un impatto su una gamma di dispositivi e applicazioni. “La tecnica QPCM potrebbe far progredire lo sviluppo della nanoelettronica o di altre applicazioni pertinenti, "Note di Zhang. "Una buona comprensione e controllo del trasporto elettronico in oggetti su scala nanometrica aiuterà la progettazione e lo sviluppo di dispositivi su scala nanometrica come transistor e sensori molecolari, o nanofili che interconnettono componenti nanoelettronici. Il nostro lavoro dimostra che la tecnica QPCM può sondare l'influenza dell'impilamento atomico locale e della composizione chimica sulla conduttanza di trasporto, migliorare così la nostra comprensione del trasporto quantistico”.
Per quanto riguarda i prossimi passi nella loro ricerca, Zhang conclude, “Dopo aver studiato la ricostruzione superficiale e la lega superficiale con QPCM, il prossimo passo sarà lo studio QPCM degli stati elettronici sulla superficie. Oltre alla capacità di sondare l'impilamento atomico superficiale e la composizione chimica, si prevede inoltre che la tecnica QPCM riveli l'influenza della densità elettronica locale degli stati sulla corrente di trasporto attraverso il contatto atomico.
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