روش میکروسکوپی سه بعدی با وضوح بسیار بالا برای میدان‌های الکتریکی

یک اتم نقره منفرد روی یک زیر لایه‌ی نقره‌ای ((Ag (111) تحت اسکن میکروسکوپ نقطه‌ای کوانتومی. اعتبار: Forschungszentrum Jülich
 
با استفاده از یک مولکول منفرد به عنوان یک حسگر، دانشمندان در Jülich با موفقیت میدان های پتانسیل الکتریکی را با دقت بی نظیری تصویر کرده اند. تصاویر با وضوح فوق بالا اطلاعاتی روی توزیع بارها در لایه های الکترونی مولکول ها و حتی اتم های منفرد فراهم می کنند. تکنیک سه بعدی همچنین بدون تماس است. اولین نتایج حاصل از استفاده از میکروسکوپ روبشی نقطه کوانتومی در مجله Physical Review Letters منتشر شده است. انتشار مربوطه به عنوان پیشنهاد سردبیر انتخاب شد و به عنوان یک دیدگاه در فیزیک پورتال علم انتخاب شد. این تکنیک برای زمینه های مختلف علمی، از جمله تحقیقات در مورد مولکول های زیستی و مواد نیمه هادی، مناسب است.
 
دکتر روسلان تمیروف از Forschungszentrum Jülich می گوید: "روش ما اولین روشی است که میدان های الکتریکی را در نزدیکی سطح یک نمونه به طور کمی و با دقت اتمی در مقیاس زیر نانومتری تصویر می کند. چنین میدانهای الکتریکی‌ای تمام نانوساختارها را مانند یک هاله احاطه می کنند. خواص آنها اطلاعاتی را برای مثال در مورد توزیع بارها در اتم ها یا مولکول ها ارائه می دهد.
 
محققانJülich  برای اندازه گیری های خود از یک میکروسکوپ نیروی اتمی استفاده کردند. این میکروسکوپ، کمی مشابه با یک پخش کننده‌ی ضبط عمل می کند: یک نوک در سرتاسر نمونه و قطعات با یک تصویر کامل از سطح حرکت می کند. تاکنون برای تصویر میدان های الکتریکی، دانشمندان از تمامی قسمت جلویی نوک روبشی به عنوان یک پروب کلوین استفاده کرده اند. اما تفاوت اندازه بزرگ بین نوک و نمونه باعث بروز مشکلاتی در توان تفکیک می شود - اگر قرار بود تصور کنیم که یک اتم منفرد به همان اندازه سر یک سوزن باشد، آنگاه نوک میکروسکوپ به بزرگی ساختمان ایالتی امپایر (Empire State Building) می بود.
 

به منظور بهبود وضوح و حساسیت، دانشمندان درJülich  یک مولکول منفرد را به عنوان نقطه کوانتومی به نوک یک میکروسکوپ متصل کردند. نقاط کوانتومی ساختارهایی ریز هستند که پهنایی بیش از چند نانومتر ندارند، که به علت محدودیت کوانتومی تنها می توانند حالت های معین گسسته ای را در قیاس با سطح انرژی یک اتم منفرد بگیرند.
 
مولکول در نوک میکروسکوپ شبیه یک توازن پرتو عمل می کند که به این سو و آن سو کج می شود. تغییر در یک جهت یا در جهتی دیگر مربوط به حضور یا عدم وجود یک الکترون اضافی است که از نوک به مولکول پرش می کند یا نمی کند. توازن مولکولی وزن ها را مقایسه نمی کند، بلکه بیشتر دو میدان الکتریکی را مقایسه می کند که بر روی الکترون متحرک حسگر مولکولی عمل می کنند: اولی، میدان یک نانوساختار تحت اندازه گیری است، و دومی، یک میدان احاطه کننده نوک میکروسکوپ است که حامل یک ولتاژ است.
 

دکتر کریستین واگنر اعتبار: Forschungszentrum Jülich
 
دکتر کریستین واگنر، عضو گروه محققان جوان تمیروف در مؤسسه پیتر گرونبرگ Jülich، توضیح می دهد: "ولتاژ در نوک تا زمانی که تعادل به دست می آید تغییر می کند. اگر ما بدانیم چه ولتاژی اعمال شده است، می توانیم میدان نمونه را در موقعیت مولکول تعیین کنیم." "از آنجا که کل تعادل مولکولی بسیار کوچک است و شامل فقط 38 اتم می شود، ما می توانیم یک تصویر بسیار تیز از میدان الکتریکی نمونه ایجاد کنیم. این کمی شبیه یک دوربین با پیکسل های بسیار کوچک است."
 

تصویری از اصل اندازه گیری: بسته به میدان پتانسیل الکتریکی موضعی یک نانوساختار بر روی سطح یک نمونه، یک الکترون منفرد از نوک میکروسکوپ به مولکول حسگر یا عقب می جهد. اعتبار: Forschungszentrum Jülich
 
یک ثبت اختراع برای این روش در حال بررسی است، که مخصوصا برای اندازه گیری سطوح خشن مناسب است، به عنوان مثال سطوحی از ساختارهای نیمه رسانا برای دستگاه های الکترونیکی یا زیست مولکول های پیچ خورده. کریستین واگنر می گوید: "در مقایسه با بسیاری از شکل های دیگر از میکروسکوپی پروب روبشی، میکروسکوپی نقطه کوانتومی روبشی می تواند حتی در یک فاصله چند نانومتری کار کند. نقاط کوانتومی ساختارهایی ریز هستند که پهنایی بیش از چند نانومتر ندارند، که به علت محدودیت کوانتومی تنها می توانند حالت های معین گسسته ای را در قیاس با سطح انرژی یک اتم منفرد بگیرند. در جهان نانو، این کاملاً فاصله‌ای قابل توجه است." تا کنون، تکنیک توسعه یافته در Jülich تنها در خلأ بالا و در دماهای پایین به کار رفته است: که پیش نیازهای ضروری برای دقت اتصال مولکول منفرد به نوک میکروسکوپ هستند."
 
این فیزیکدان معتقد است: "در اصل، امکان وجود تغییراتی که در دمای اتاق کار کنند قابل تصور است. می توان از شکل های دیگر نقاط کوانتومی، به صورت یک حسگر در مکان مولکول، استفاده کرد، مانند آنهایی که می تواند با مواد نیمه رسانا تحقق یابد: یک مثال، نقاط کوانتومی ساخته شده از نانوبلورهاست مانند آنهایی که قبلاً در تحقیقات بنیادی مورد استفاده قرار می گرفته است.
 

مولکول (سبز) بین نوک میکروسکوپ (زرد) و سطح پروب (خاکستری). اعتبار: Forschungszentrum Jülich
 
وضوح میکروسکوپ های تونلی روبشی می تواند به طور چشمگیری با اتصال مولکول ها یا اتم هایی کوچک به نوک آنها بهبود یابد. تصاویر نتیجه شده اولین تصاویری بودند که ساختار هندسی مولکول ها را نشان دادند و علاقه زیادی را در بین دانشمندان در طی چند سال گذشته برانگیخته اند. دانشمندانی از Forschungszentrum Jülich و آکادمی علوم جمهوری چک در پراگ اکنون از شبیه سازی های کامپیوتری، برای به دست آوردن بینش هایی عمیق تر به فیزیک این تکنیک های تصویربرداری جدید، استفاده کرده اند. یکی از این تکنیک ها در مجله Science توسط دانشمندان آمریکایی ارائه شد. نتایج در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
 
پروفسور توتز از Forschungszentrum Jülich می گوید: "مقایسه‌ای بین نتایج آزمایشی و شبیه سازی های ما توافقی عالی را نشان می دهد و این که بنابراین مدل نظری ما می تواند مکانیزم پشت تصاویر میکروسکوپی را در این خانواده از تکنیک ها توضیح دهد. این مقایسه برای تجزیه و تحلیل تصاویر ضروری است."
 
منبع: Forschungszentrum Juelich