Un solo átomo de plata sobre un sustrato de plata (Ag (111)) bajo el microscopio de barrido de puntos cuánticos. Crédito:Forschungszentrum Jülich
Usando una sola molécula como sensor, Los científicos de Jülich han logrado obtener imágenes de campos de potencial eléctrico con una precisión incomparable. Las imágenes de ultra alta resolución proporcionan información sobre la distribución de cargas en las capas de electrones de moléculas individuales e incluso átomos. La técnica 3D también está libre de contacto. Los primeros resultados obtenidos mediante la "microscopía de puntos cuánticos de barrido" se han publicado en el número actual de Cartas de revisión física . La publicación relacionada fue elegida como sugerencia del Editor y seleccionada como Punto de Vista en el portal de ciencias Física. La técnica es relevante para diversos campos científicos, incluidas las investigaciones sobre biomoléculas y materiales semiconductores.
"Nuestro método es el primero en obtener imágenes de campos eléctricos cerca de la superficie de una muestra cuantitativamente con precisión atómica en la escala subnanométrica, "dice el Dr. Ruslan Temirov de Forschungszentrum Jülich. Estos campos eléctricos rodean todas las nanoestructuras como un aura. Sus propiedades proporcionan información, por ejemplo, sobre la distribución de cargas en átomos o moléculas.
Por sus medidas, los investigadores de Jülich utilizaron un microscopio de fuerza atómica. Esto funciona un poco como un tocadiscos:una punta se mueve a través de la muestra y junta una imagen completa de la superficie. Para visualizar campos eléctricos hasta ahora, Los científicos han utilizado toda la parte frontal de la punta de exploración como sonda Kelvin. Pero la gran diferencia de tamaño entre la punta y la muestra causa dificultades de resolución:si tuviéramos que imaginar que un solo átomo tiene el mismo tamaño que la cabeza de un alfiler, entonces la punta del microscopio sería tan grande como el Empire State Building.
Molécula única como sensor
Para mejorar la resolución y la sensibilidad, los científicos de Jülich adjuntaron una sola molécula como un punto cuántico a la punta del microscopio. Los puntos cuánticos son estructuras diminutas, midiendo no más de unos pocos nanómetros de ancho, que debido al confinamiento cuántico solo puede asumir ciertos, estados discretos comparables al nivel de energía de un solo átomo.
La molécula en la punta del microscopio funciona como un balancín, que se inclina hacia un lado o hacia el otro. Un cambio en una dirección u otra corresponde a la presencia o ausencia de un electrón adicional, que salta de la punta a la molécula o no. El balance "molecular" no compara pesos sino dos campos eléctricos que actúan sobre el electrón móvil del sensor molecular:el primero es el campo de una nanoestructura que se mide, y el segundo es un campo que rodea la punta del microscopio, que lleva un voltaje.
Dr. Christian Wagner. Crédito:Forschungszentrum Jülich
"El voltaje en la punta se varía hasta que se alcanza el equilibrio. Si sabemos qué voltaje se ha aplicado, podemos determinar el campo de la muestra en la posición de la molécula, "explica el Dr. Christian Wagner, miembro del grupo de Jóvenes Investigadores de Temirov en el Instituto Peter Grünberg de Jülich (PGI-3). "Debido a que todo el equilibrio molecular es tan pequeño, que comprende solo 38 átomos, podemos crear una imagen muy nítida del campo eléctrico de la muestra. Es un poco como una cámara con píxeles muy pequeños ".
Aplicable universalmente
Ilustración del principio de medición:según el campo de potencial eléctrico local de una nanoestructura en la superficie de una muestra, un solo electrón salta desde la punta del microscopio a la molécula del sensor o regresa. Crédito:Forschungszentrum Jülich
Hay una patente pendiente para el método, que es particularmente adecuado para medir superficies rugosas, por ejemplo las de estructuras semiconductoras para dispositivos electrónicos o biomoléculas plegadas. "A diferencia de muchas otras formas de microscopía de sonda de barrido, La microscopía de puntos cuánticos de barrido puede incluso funcionar a una distancia de varios nanómetros. En el nanomundo esta es una distancia bastante considerable, "dice Christian Wagner. Hasta ahora, la técnica desarrollada en Jülich solo se ha aplicado en alto vacío y a bajas temperaturas:requisitos previos esenciales para unir con cuidado una sola molécula a la punta del microscopio.
Izquierda:La micrografía de puntos cuánticos de barrido de una molécula de PTCDA revela las cargas parciales negativas en los extremos de la molécula, así como las cargas parciales positivas en el centro. Centro:potencial eléctrico simulado por encima de una molécula de PTCDA con estructura molecular Derecha:esquema de distribución de carga en la molécula de PTCDA. Crédito:Forschungszentrum Jülich
"En principio, son concebibles variaciones que funcionarían a temperatura ambiente, "cree el físico. Otras formas de puntos cuánticos podrían usarse como sensor en lugar de la molécula, como los que se pueden realizar con materiales semiconductores:un ejemplo serían los puntos cuánticos hechos de nanocristales como los que ya se utilizan en la investigación fundamental.
