میکروسکوپ نقطه‌ای کوانتومی جدید

تصویر از یک میکروسکوپ تونلی روبشی (STM، سمت چپ) و میکروسکوپ نقطه‌ای کوانتومی روبشی (SQDM، سمت راست). با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی ، ساختار فیزیکی یک سطح را می توان در سطح اتمی اندازه گیری کرد. میکروسکوپیِ نقطه‌ای کوانتومی می تواند پتانسیل های الکتریکی روی سطح را در یک سطح مشابه از جزئیات تجسم کند - ترکیبی کامل. اعتبار: Forschungszentrum Jülich / کریستین واگنر
 
یک تیم محققان از Jülich در همکاری با دانشگاه ماگدبورگ یک روش جدید برای اندازه گیری پتانسیل های الکتریکی یک نمونه در دقت اتمی ایجاد کرده است. با استفاده از روش های معمول، تا کنون تقریبا غیرممکن بود که پتانسیل های الکتریکی را که در مجاورت مولکول ها یا اتم های منفرد رخ می دهد، به طور کمی ضبط کنند. روش میکروسکوپی نقطه‌ای کوانتومی روبشی جدید که اخیرا در مجله مواد طبیعت، توسط دانشمندانی از Forschungszentrum Jülich همراه با شرکایی از دو مؤسسه دیگر، منتشر شده است می تواند راهگشای فرصت های جدیدی برای تولید تراشه یا توصیف صفات اختصاصی مولکول های زیستی مثل DNA باشد.
 
هسته های اتمی مثبت و الکترون های منفی که همه مواد از آنها ساخته شده اند، تولید کننده میدان های پتانسیل الکتریکی هستند که حتی در فاصله های بسیار کوتاه به هم اضافه می شوند یا اثر یکدیگر را خنثی می کنند. روش های متعارف اجازه اندازه گیری های کمی این میدان های کوچک سطح، که مسئولیت بسیاری از خواص و کاربردهای مواد در مقیاس نانو را به عهده دارند، نمی دهد. تقریبا تمام روش های مستقرِ قادر به تصویربرداری از چنین پتانسیل هایی بر اساس اندازه گیری نیروهایی هستند که به علت بارهای الکتریکی ایجاد می شوند. با این وجود این نیروها دشوار است که از دیگر نیروهایی که در مقیاس نانو رخ می دهند، متمایز شوند، و این مانع اندازه گیری های کمی می شود.
 
با این حال، چهار سال پیش، دانشمندانی از Forschungszentrum Jülich یک روش مبتنی بر یک اصل کاملا متفاوت را کشف کردند. میکروسکوپیِ  نقطه ای کوانتومی روبشی درگیر اتصال یک مولکول آلی منفرد - نقطه کوانتومی - به نوک یک میکروسکوپ نیروی اتمی است. این مولکول سپس به عنوان پروب عمل می کند. دکتر کریستین واگنر، رئیس گروه دستکاری مکانیکی کنترل شده مولکول ها در موسسه پیتر گرنبرگ از  Jülichتوضیح می دهد: "مولکول آنچنان کوچک هست که ما بتوانیم الکترون های منفرد را از نوک یک میکروسکوپ نیروی اتمی به مولکول در روشی کنترل شده متصل کنیم."
 
محققان بلافاصله تشخیص دادند که این روش چقدر نویدبخش است و یک پرونده درخواست حق ثبت اختراع برایش تشکیل دادند. با این حال، تا کاربرد عملی هنوز راه زیادی مانده است. واگنر توضیح می دهد: "در ابتدا، این، به سادگی، یک اثر شگفت انگیز بود که در کاربست پذیری اش محدود بود. این وضعیت هم اکنون تغییر کرده است. ما نه تنها می توانیم میدان های الکتریکی اتم ها و مولکول های منفرد را تجسم کنیم، بلکه می توانیم آنها را دقیقا اندازه گیری کنیم." "این توسط یک مقایسه با محاسبات نظری که توسط همکاران ما از لوکزامبورگ هدایت شده است، تایید شده است. علاوه بر این، ما می توانیم مناطق بزرگ یک نمونه را تصویر کنیم و بنابراین بلافاصله تنوعی از نانوساختارها را نشان دهیم. و برای یک تصویر دقیق فقط به یک ساعت وقت نیاز داریم."
 
محققان Jülich سالها تحقیق در مورد این روش انجام دادند و در نهایت یک نظریه منسجم را توسعه دادند. دلیل این تصاویر بسیار تیز، اثری است که اجازه می دهد نوک میکروسکوپ در یک فاصله نسبتا بزرگ از نمونه، تقریبا دو تا سه نانومتر، که برای یک میکروسکوپ نیروی عادی اتمی غیرقابل تصور است، بماند.

 

دکتر کریستین واگنر با یک مدل از مولکول PTCDA، که به عنوان نقطه کوانتومی عمل می کند. اعتبار: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau
 
در این زمینه، مهم است بدانیم که تمام عناصر یک نمونه میدان هایی الکتریکی تولید می کنند که بر نقطه کوانتومی تاثیر می گذارند و بنابراین می توانند اندازه گیری شوند. نوک میکروسکوپ شبیه یک سپر محافظی عمل می کند که میدان های در هم گسیخته از نواحی نمونه را که دورتر هستند خفه می کند. ما نه تنها می توانیم میدان های الکتریکی اتم ها و مولکول های منفرد را تجسم کنیم، بلکه می توانیم آنها را دقیقا اندازه گیری کنیم. واگنر توضیح می دهد: "پس تاثیر میدان های الکتریکی سپر پوش شده به طور نمایی کاهش می یابد و نقطه کوانتومی تنها ناحیه‌ی بلافاصله‌ی محیطی را آشکار می کند." "بنابراین توان تفکیک ما بسیار تیزتر از آن چیزی است که حتی از یک پروب نقطه ای ایده آل انتظار می رود."
 
محققان Jülich سرعتی را که در آن کل سطح نمونه کامل را می توان اندازه گیری کرد مرهون شرکای خود از دانشگاه اتو وُن گوریک ماگدبورگ هستند. مهندسان در آنجا کنترل کننده ای را ایجاد کرده اند که کمک می کند که توالی پیچیده و تکراری روبش نمونه به طور خودکار انجام شود. واگنر می گوید: "یک میکروسکوپ نیروی اتمی به نظر می رسد کمی مثل یک بازیکن رکوردی عمل می کند." "نوک، در سراسر نمونه و قطعات، توأم با یک تصویر کامل از سطح حرکت می کند. در کار میکروسکوپی نقطه ای کوانتومی روبشی قبلی، اما ما مجبور به حرکت به یک مکان منفرد روی نمونه، اندازه گیری یک طیف، و حرکت به مکان بعدی، و اندازه گیری یک طیف دیگر و قس علیهذا بودیم به این منظور که با ترکیب این اندازه گیری ها یک تصویر واحد به دست آوریم. با استفاده از کنترل کننده مهندسان ماگدبورگ، ما هم اکنون به سادگی می توانیم کل سطح را فقط شبیه استفاده از یک میکروسکوپ نیروی طبیعی اتمی اسکن کنیم. در حالی که پنج شش ساعت وقت ما برای یک مولکول منفرد گرفته می شد، ما اکنون می توانیم نواحی نمونه را با صدها مولکول تنها در عرض یک ساعت تصویر کنیم. "
 
اما بعضی از معایب نیز وجود دارد. آماده سازی اندازه گیری ها زمان و تلاش زیادی را به خود اختصاص می دهد. مولکولی که به عنوان نقطه کوانتومی برای اندازه گیری مورد استفاده قرار می گیرد باید قبلاً به نوک متصل شود و این فقط در خلاء در دماهای پایین امکان پذیر است. در مقایسه، میکروسکوپ نیروی طبیعی اتمی در دمای اتاق نیز کار می کند، بدون نیاز به خلاء و یا آماده سازی پیچیده.
 
منبع: Forschungszentrum Juelich