新的量子點(diǎn)顯微鏡顯示單個(gè)原子的電位

Jülich與馬格德堡大學(xué)合作的一組研究人員開(kāi)發(fā)出一種新方法，用于以原子精度測(cè)量樣品的電位。使用常規(guī)方法，直到現(xiàn)在幾乎不可能定量地記錄在單個(gè)分子或原子附近發(fā)生的電勢(shì)。新的掃描量子點(diǎn)顯微鏡方法最近由ForschungszentrumJülich的科學(xué)家和其他兩個(gè)機(jī)構(gòu)的合作伙伴在Nature Materials雜志上發(fā)表，可以為芯片制造或生物分子如DNA的表征開(kāi)辟新的機(jī)會(huì)。

所有物質(zhì)組成的正原子核和負(fù)電子產(chǎn)生的電勢(shì)場(chǎng)相互疊加和相互補(bǔ)償，即使在很短的距離內(nèi)也是如此。傳統(tǒng)方法不允許對(duì)這些小面積場(chǎng)進(jìn)行定量測(cè)量，這些場(chǎng)面負(fù)責(zé)納米尺度上的許多材料特性和功能。幾乎所有能夠成像這種電位的既定方法都是基于電荷引起的力的測(cè)量。然而，這些力很難與納米尺度上發(fā)生的其他力量區(qū)分開(kāi)來(lái)，這阻礙了定量測(cè)量。

然而，四年前，F(xiàn)orschungszentrumJülich的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種基于完全不同原理的方法。掃描量子點(diǎn)顯微鏡涉及將單個(gè)有機(jī)分子 - 量子點(diǎn) - 附著到原子力顯微鏡的尖端。然后該分子用作探針。“分子非常小，我們可以通過(guò)原子力顯微鏡的尖端以受控的方式將單個(gè)電子附加到分子上，”Jülich的PeterGrünberg研究所分子控制機(jī)械操縱組負(fù)責(zé)人Christian Wagner博士解釋說(shuō)。 PGI-3)。

研究人員立即認(rèn)識(shí)到這種方法有多么有前途，并提交了專利申請(qǐng)。但是，實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。“最初，它只是一個(gè)令人驚訝的效果，其適用性有限。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了變化。我們不僅能夠可視化單個(gè)原子和分子的電場(chǎng)，我們還可以精確地量化它們，”瓦格納解釋說(shuō)。“這與我們來(lái)自盧森堡的合作者進(jìn)行的理論計(jì)算的比較證實(shí)了這一點(diǎn)。此外，我們可以對(duì)樣品的大面積進(jìn)行成像，從而同時(shí)顯示各種納米結(jié)構(gòu)。而我們只需要一小時(shí)就能得到詳細(xì)的圖像。”

Jülich研究人員花了數(shù)年時(shí)間研究這種方法，并最終形成了一個(gè)連貫的理論。圖像非常清晰的原因是允許顯微鏡尖端保持與樣品相對(duì)較大距離的效果，大約2到3納米 - 對(duì)于普通原子力顯微鏡來(lái)說(shuō)是不可想象的。

在這種情況下，重要的是要知道樣品的所有元素都會(huì)產(chǎn)生影響量子點(diǎn)的電場(chǎng)，因此可以進(jìn)行測(cè)量。顯微鏡尖端起到保護(hù)屏的作用，可以抑制遠(yuǎn)離樣品區(qū)域的破壞性區(qū)域。“因此，屏蔽電場(chǎng)的影響呈指數(shù)級(jí)下降，而量子點(diǎn)僅檢測(cè)到周圍的區(qū)域，”瓦格納解釋說(shuō)。“ 因此，即使是理想的點(diǎn)探測(cè)，我們的分辨率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期。”

Jülich的研究人員應(yīng)該從Otto von Guericke University Magdeburg向他們的合作伙伴測(cè)量完整樣品表面的速度。那里的工程師開(kāi)發(fā)了一個(gè)控制器，幫助自動(dòng)化復(fù)雜，重復(fù)的掃描樣品序列。“原子力顯微鏡的工作方式有點(diǎn)像唱片機(jī)，”瓦格納說(shuō)。“尖端穿過(guò)樣品并將表面完整的圖像拼接在一起。然而，在先前的掃描量子點(diǎn)顯微鏡工作中，我們不得不移動(dòng)到樣品上的單個(gè)位置，測(cè)量光譜，移動(dòng)到下一個(gè)位置，測(cè)量另一個(gè)頻譜等等，以便將這些測(cè)量結(jié)果組合成單個(gè)圖像。使用馬格德堡工程師的控制器，我們現(xiàn)在可以簡(jiǎn)單地掃描整個(gè)表面，就像使用普通的原子力顯微鏡一樣。雖然過(guò)去單個(gè)分子需要5-6個(gè)小時(shí)，但我們現(xiàn)在可以在一小時(shí)內(nèi)對(duì)數(shù)百個(gè)分子的樣品區(qū)域進(jìn)行成像。“

然而，也有一些缺點(diǎn)。準(zhǔn)備測(cè)量需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。用作測(cè)量量子點(diǎn)的分子必須事先連接到尖端 - 這只能在低溫真空中進(jìn)行。相比之下，普通原子力顯微鏡也可在室溫下工作，無(wú)需真空或復(fù)雜的制劑。

然而，PGI-3主任Stefan Tautz教授樂(lè)觀地說(shuō)：“這不一定限制我們的選擇。我們的方法仍然是新的，我們對(duì)第一個(gè)項(xiàng)目感到興奮，所以我們可以展示它真正能做什么“。

量子點(diǎn)顯微鏡有許多應(yīng)用領(lǐng)域。半導(dǎo)體電子產(chǎn)品正在推動(dòng)一個(gè)原子可以對(duì)功能產(chǎn)生影響的領(lǐng)域的規(guī)模邊界。靜電相互作用在其他功能材料如催化劑中也起著重要作用。生物分子的表征是另一種途徑。由于尖端和樣品之間的距離相對(duì)較大，該方法也適用于粗糙表面 - 例如DNA 分子表面，具有其特有的3-D結(jié)構(gòu)。