Используя одну молекулу в качестве сенсора, ученые из Юлиха с непревзойденной точностью успешно визуализировали электрические потенциальные поля. Изображения сверхвысокого разрешения дают информацию о распределении зарядов в электронных оболочках отдельных молекул и даже атомов. Метод 3D также является бесконтактным. Первые результаты, полученные с помощью «сканирующей микроскопии с квантовыми точками», опубликованы в текущем выпуске Physical Review Letters. Соответствующая публикация была выбрана по предложению редактора и выбрана в качестве точки зрения на научном портале Physics. Этот метод актуален для различных научных областей, включая исследования биомолекул и полупроводниковых материалов.
«Наш метод является первым, позволяющим количественно отображать электрические поля вблизи поверхности образца с атомарной точностью в субнанометровом масштабе», - говорит д-р Руслан Темиров из Forschungszentrum Jülich. Такие электрические поля окружают все наноструктуры подобно ауре. Их свойства дают информацию, например, о распределении зарядов в атомах или молекулах.
Для своих измерений исследователи из Юлиха использовали атомно-силовой микроскоп. Это немного похоже на проигрыватель: наконечник перемещается по образцу и собирает воедино полное изображение поверхности. Для визуализации электрических полей до сих пор ученые использовали всю переднюю часть сканирующего наконечника в качестве зонда Кельвина. Но большая разница в размерах между наконечником и образцом вызывает трудности с разрешением - если бы мы представили, что один атом имеет такой же размер, как головка булавки, то наконечник микроскопа был бы размером с Эмпайр-стейт-билдинг..
Одиночная молекула как сенсор
Чтобы улучшить разрешение и чувствительность, ученые из Юлиха прикрепили одну молекулу в виде квантовой точки к кончику микроскопа. Квантовые точки - это крошечные структуры размером не более нескольких нанометров в поперечнике, которые из-за квантового ограничения могут принимать только определенные дискретные состояния, сравнимые с уровнем энергии одного атома..
Молекула на кончике микроскопа действует как балансир, который наклоняется то в одну, то в другую сторону. Сдвиг в ту или иную сторону соответствует наличию или отсутствию дополнительного электрона, который либо перескакивает с острия на молекулу, либо нет. «Молекулярные» весы сравнивают не веса, а два электрических поля, действующих на подвижный электрон молекулярного сенсора: первое - это поле измеряемой наноструктуры, а второе - поле, окружающее иглу микроскопа, которая несет напряжение.
«Напряжение на кончике изменяется до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Если мы знаем, какое напряжение было приложено, мы можем определить поле образца в положении молекулы», - объясняет доктор Кристиан Вагнер, член Темировской группы молодых исследователей в Юлихском институте Петера Грюнберга (PGI-3). «Поскольку весь молекулярный баланс очень мал и состоит всего из 38 атомов, мы можем создать очень четкое изображение электрического поля образца. Это немного похоже на камеру с очень маленькими пикселями».
Универсальное применение
Заявка на получение патента на метод, который особенно подходит для измерения шероховатых поверхностей, например, полупроводниковых структур для электронных устройств или складчатых биомолекул, находится на рассмотрении. «В отличие от многих других форм сканирующей зондовой микроскопии, сканирующая микроскопия с квантовыми точками может работать даже на расстоянии в несколько нанометров. В наномире это довольно значительное расстояние», - говорит Кристиан Вагнер. До сих пор метод, разработанный в Юлихе, применялся только в высоком вакууме и при низких температурах: необходимые предпосылки для аккуратного прикрепления отдельной молекулы к игле микроскопа.
«В принципе возможны варианты, которые работали бы при комнатной температуре», - считает физик. Вместо молекулы в качестве датчика можно использовать и другие формы квантовых точек, например те, которые можно реализовать с помощью полупроводниковых материалов: например, квантовые точки из нанокристаллов, подобные тем, которые уже используются в фундаментальных исследованиях.