新的量子點顯微鏡顯示單個原子的電位

Jülich與馬格德堡大學合作的一組研究人員開發(fā)出一種新方法，用于以原子精度測量樣品的電位。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分子或原子附近發(fā)生的電勢。新的掃描量子點顯微鏡方法最近由ForschungszentrumJülich的科學家和其他兩個機構的合作伙伴在Nature Materials雜志上發(fā)表，可以為芯片制造或生物分子如DNA的表征開辟新的機會。

所有物質組成的正原子核和負電子產生的電勢場相互疊加和相互補償，即使在很短的距離內也是如此。傳統(tǒng)方法不允許對這些小面積場進行定量測量，這些場面負責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)分開來，這阻礙了定量測量。

然而，四年前，F(xiàn)orschungszentrumJülich的科學家發(fā)現(xiàn)了一種基于完全不同原理的方法。掃描量子點顯微鏡涉及將單個有機分子 - 量子點 - 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，我們可以通過原子力顯微鏡的尖端以受控的方式將單個電子附加到分子上，”Jülich的PeterGrünberg研究所分子控制機械操縱組負責人Christian Wagner博士解釋說。 PGI-3)。

研究人員立即認識到這種方法有多么有前途，并提交了專利申請。但是，實際應用還有很長的路要走。“最初，它只是一個令人驚訝的效果，其適用性有限?，F(xiàn)在已經發(fā)生了變化。我們不僅能夠可視化單個原子和分子的電場，我們還可以精確地量化它們，”瓦格納解釋說。“這與我們來自盧森堡的合作者進行的理論計算的比較證實了這一點。此外，我們可以對樣品的大面積進行成像，從而同時顯示各種納米結構。而我們只需要一小時就能得到詳細的圖像。”

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

在這種情況下，重要的是要知道樣品的所有元素都會產生影響量子點的電場，因此可以進行測量。顯微鏡尖端起到保護屏的作用，可以抑制遠離樣品區(qū)域的破壞性區(qū)域。“因此，屏蔽電場的影響呈指數級下降，而量子點僅檢測到周圍的區(qū)域，”瓦格納解釋說。“ 因此，即使是理想的點探測，我們的分辨率也遠遠超出預期。”

Jülich的研究人員應該從Otto von Guericke University Magdeburg向他們的合作伙伴測量完整樣品表面的速度。那里的工程師開發(fā)了一個控制器，幫助自動化復雜，重復的掃描樣品序列。“原子力顯微鏡的工作方式有點像唱片機，”瓦格納說。“尖端穿過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顯微鏡工作中，我們不得不移動到樣品上的單個位置，測量光譜，移動到下一個位置，測量另一個頻譜等等，以便將這些測量結果組合成單個圖像。使用馬格德堡工程師的控制器，我們現(xiàn)在可以簡單地掃描整個表面，就像使用普通的原子力顯微鏡一樣。雖然過去單個分子需要5-6個小時，但我們現(xiàn)在可以在一小時內對數百個分子的樣品區(qū)域進行成像。“

然而，也有一些缺點。準備測量需要花費大量的時間和精力。用作測量量子點的分子必須事先連接到尖端 - 這只能在低溫真空中進行。相比之下，普通原子力顯微鏡也可在室溫下工作，無需真空或復雜的制劑。

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

量子點顯微鏡有許多應用領域。半導體電子產品正在推動一個原子可以對功能產生影響的領域的規(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結構。