Ilustración de QPCM en una superficie de Cu (111). (A) Modelo esquemático que demuestra el principio de funcionamiento de QPCM. Los círculos grises y las flechas indican el movimiento de la punta y el contacto atómico de Cu. (B) Conductancia G en función de la distancia de aproximación de la punta d adquirida con la punta en la parte superior de un adatom de Cu. (C) Imagen QPCM con el mismo tamaño de escaneo que el recuadro en (B); Se muestra el escaneo hacia adelante (de izquierda a derecha). (D) Escaneo hacia atrás (de derecha a izquierda) adquirido simultáneamente con la imagen que se muestra en (C). (E) Imagen de corriente constante de un borde escalonado en Cu (111). Los patrones de ondas estacionarias que se originan en el estado de la superficie son claramente visibles en la imagen. (F) Imagen QPCM de la misma área que se muestra en (E). La disminución de la conductancia de arriba a abajo de la imagen se debe a que el plano en el que se escanea la punta está ligeramente inclinado con respecto a la superficie. Reproducido con permiso de Quantum Point Contact Microscopy, Yong-hui Zhang y col., Nano letras, 26 de julio 2011, Copyright © 2011 Sociedad Química Estadounidense
(PhysOrg.com) - Desde que aparecieron los primeros microscopios ópticos a fines del siglo XVII, una fecha exacta y el inventor original eluden una identificación precisa, la microscopía ha evolucionado de manera espectacular. Microscopía de túnel de barrido (STM), La microscopía de fuerza atómica (AFM) y (aunque generalmente no se reconoce como un método establecido) la microscopía de contacto puntual (PCM) permiten a los científicos ver objetos inaccesibles a los microscopios ópticos. con imágenes de átomos ahora comunes. Sin embargo, incluso esta marcha inexorable hacia escalas cada vez menores ha encontrado limitaciones. (Por ejemplo, STM no proporciona información sobre la química local, mientras que PCM no puede obtener una imagen adecuada de los átomos individuales debido a que no tiene un contacto de un solo átomo).
Sin embargo, investigación realizada en el Departamento de Ciencias a Nanoescala del Instituto Max Plank para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart, Alemania ha demostrado el siguiente paso: microscopía de contacto de punto cuántico (QPCM), que utiliza átomos individuales en el contacto entre la punta y la superficie para determinar la estructura atómica de las superficies conductoras y, por primera vez, proporcionan imágenes de átomos apilados en el espacio real. Es más, QPCM también se puede utilizar para estudiar el transporte cuántico, y utilizando moléculas como contacto para identificar potencialmente características químicas específicas de la superficie escaneada.
El equipo de investigación, Yong-hui Zhang, trabajando con Peter Wahl y el profesor Klaus Kern, basaron su técnica QPCM en STM a baja temperatura, y de hecho QPCM opera en un microscopio de túnel de barrido de baja temperatura a ~ 6 K (-267 ° C) en un vacío ultra alto. Sin embargo, mientras que STM generalmente se opera a una conductancia muy por debajo de un conductancia cuántica - una unidad cuantificada de conductancia, representado por G 0 - QPCM funciona a conductancias de hasta unos cuantos cuantos de conductancia. “El principal desafío en el diseño e implementación de la técnica QPCM, "Dice Zhang, “Es mantener una configuración atómica estable en el contacto del punto atómico único durante la obtención de imágenes, ya que hay una gran tensión dentro del punto de contacto y, por lo tanto, la configuración atómica es a menudo muy vulnerable a cualquier pequeña perturbación mecánica ”Dado que la tensión en una unión de túnel es mucho menor que en el punto de contacto, La inestabilidad en el ápice de la punta para las imágenes STM es menos preocupante que para QPCM.
El equipo también aprovechó la investigación previa en el campo. “La formación de un único punto de contacto atómico en superficies de metales nobles ha sido estudiada intensamente por STM en el grupo del Prof. Richard Berndt en la Universidad de Kiel en Alemania durante los últimos años, ”Señala Zhang. El equipo de Berndt demostró que la conductancia sobre plata y cobre simples adatoms (átomos adsorbidos en una superficie) exhibe una transición suave y reproducible del régimen de túnel al régimen de contacto, demostrando que se puede formar un contacto estable cuando la punta de contacto se acerca verticalmente a un solo adatomo metálico en superficies de metales nobles. “En nuestro trabajo, ", Agrega Zhang, “La obtención de imágenes QPCM se realiza después de establecer un contacto estable escaneando el contacto en un plano paralelo a la superficie en modo de escaneo de altura constante y registrando la corriente. Encontramos que la estructura del ápice de la punta influye fuertemente tanto en la estabilidad del contacto atómico como en la calidad de imagen de QPCM, donde se realizan mejoras entrenando el ápice de la punta a través, por ejemplo, hendiduras repetidas de la punta en el sustrato metálico ".
Imagen QPCM de una aleación de superficie de hierro-platino (FePt). (A) Imagen de túnel de corriente constante de un borde escalonado en la superficie de Pt (111) preparada con la aleación de superficie de FePt antes de realizar QPCM con el adatom (que se ha colocado desde la punta) en la parte superior central de la imagen. La falta de homogeneidad espacial observada en la terraza se origina en estados electrónicos debidos a la aleación. (B) imagen QPCM de la misma área que en (A); Puede existir un desplazamiento lateral de menos de 1 Ĺ con respecto a (A). Se encuentra un ligero aumento en la conductancia de arriba a abajo debido a la fluencia piezoeléctrica durante el escaneo. En contraste con la imagen de tunelización en (A), la imagen QPCM resuelve las diferencias de conductancia a escala atómica en la terraza aleada, así como la estructura atómica del borde del escalón. (C) Modelo estructural de la unidad estructural 2 x 1 como se indica en (B) y patrón de conductancia calculado asociado con ella. Los átomos que se muestran más brillantes están en capas inferiores (se muestran las primeras tres capas). El patrón de conductancia se obtiene a partir de un cálculo de modelo. Las áreas más oscuras representan una conductancia más baja. Reproducido con permiso de Quantum Point Contact Microscopy, Yong-hui Zhang y col., Nano letras, 26 de julio 2011, Copyright © 2011 Sociedad Química Estadounidense
Zhang también señala que la técnica de imágenes QPCM en sí misma no es completamente nueva:la imagen atómica manipulada fue reportada por primera vez por J.A. Stroscio en NIST en 2004 y por el grupo de Berndt en 2010, donde ambos demostraron un adatom siendo manipulado lateralmente por la punta del STM mientras tomaban imágenes en modo de corriente constante. "La imagen del átomo manipulado podría considerarse lo mismo que la imagen QPCM, ", Señala Zhang, “A pesar del hecho de que operan en diferentes modos de escaneo y el primero se usa para operar a menor conductancia. La novedad de nuestro trabajo radica en el estudio QPCM de una reconstrucción superficial de oro (Au (111)) y una aleación superficial de hierro-platino (FePt), donde se encuentra que el apilamiento atómico local y la composición química influyen en la corriente de transporte a través del contacto atómico ". La clave de la investigación de Zhang et al es que la interpretación de la imagen QPCM se facilita operando en modo de altura constante, y por lo tanto, el control de retroalimentación de la punta de escaneo no es un problema.
Es más, Zhang agrega, “Nuestro trabajo demuestra que QPCM puede revelar más información de superficie que STM. Por lo tanto, la técnica QPCM puede ser útil en la investigación experimental de caracterización de superficies ”.
También hay margen de mejora. “Una ventaja de la técnica QPCM es que las imágenes STM y QPCM se pueden combinar fácilmente, ”Señala Zhang. "En el futuro, Será muy bueno usar un programa de computadora para guiar la ruta de escaneo del contacto durante la generación de imágenes QPCM, evitando así áreas en la superficie en la imagen STM que potencialmente pueden destruir la configuración atómica del contacto. Se espera que esta medida aumente las posibilidades de éxito en la realización de imágenes QPCM ".
El futuro también ofrece la posibilidad de que QPCM tenga un impacto en una variedad de dispositivos y aplicaciones. “La técnica QPCM podría impulsar el desarrollo de nanoelectrónica u otra aplicación relevante, ”, Señala Zhang. "Una buena comprensión y control del transporte electrónico en objetos a nanoescala ayudará al diseño y desarrollo de dispositivos a nanoescala, como transistores y sensores moleculares, o nanocables que interconectan componentes nanoelectrónicos. Nuestro trabajo demuestra que la técnica QPCM puede sondear la influencia del apilamiento atómico local y la composición química en la conductancia de transporte, mejorando así nuestra comprensión del transporte cuántico ".
En cuanto a los próximos pasos en su investigación, Zhang concluye:“Después de estudiar la reconstrucción de superficies y la aleación de superficies con QPCM, el siguiente paso será el estudio QPCM de los estados electrónicos en la superficie. Además de la capacidad de sondear el apilamiento atómico de la superficie y la composición química, También se espera que la técnica QPCM revele la influencia de la densidad electrónica local de los estados en la corriente de transporte a través del contacto atómico ”.
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