Ilustração de QPCM em uma superfície de Cu (111). (A) Modelo esquemático demonstrando o princípio de funcionamento do QPCM. Os círculos e setas cinza indicam o movimento da ponta e o contato atômico Cu. (B) Condutância G em função da distância de aproximação da ponta d adquirida com a ponta no topo de um adatom de Cu. (C) imagem QPCM com o mesmo tamanho de varredura que a inserção em (B); a varredura para a frente (da esquerda para a direita) é mostrada. (D) Varredura retroativa (da direita para a esquerda) adquirida simultaneamente com a imagem mostrada em (C). (E) Imagem atual constante de uma borda de degrau em Cu (111). Os padrões de ondas estacionárias originados do estado da superfície são claramente visíveis na imagem. (F) Imagem QPCM da mesma área mostrada em (E). A diminuição da condutância de cima para baixo da imagem é devido ao plano em que a ponta faz a varredura sendo levemente inclinado em relação à superfície. Reproduzido com permissão da Quantum Point Contact Microscopy, Yong-hui Zhang et al., Nano Letras, 26 de julho 2011, Copyright © 2011 American Chemical Society
(PhysOrg.com) - Desde que os primeiros microscópios ópticos apareceram no final dos anos 1600 - uma data exata e o inventor original evitam uma identificação precisa - a microscopia evoluiu dramaticamente. Microscopia de varredura por tunelamento (STM), A microscopia de força atômica (AFM) e (embora não seja geralmente reconhecida como um método estabelecido) a microscopia de contato pontual (PCM) permitem que os cientistas visualizem objetos inacessíveis aos microscópios ópticos, com imagens de átomos agora comuns. No entanto, mesmo essa marcha inexorável em direção a escalas cada vez menores encontrou limitações. (Por exemplo, STM não fornece informações sobre química local, enquanto o PCM não consegue criar imagens adequadas de átomos individuais devido ao fato de não ter um contato de um único átomo.)
Contudo, pesquisa conduzida no Departamento de Ciência em Nanoescala do Instituto Max Plank para Pesquisa de Estado Sólido em Stuttgart, A Alemanha demonstrou a próxima etapa: microscopia quântica de contato pontual (QPCM), que usa átomos individuais no contato entre a ponta e a superfície para determinar a estrutura atômica de superfícies condutoras e, pela primeira vez, fornecer imagens de átomos empilhados no espaço real. Além disso, QPCM também pode ser usado para estudar o transporte quântico, e usando moléculas como o contato para potencialmente identificar características químicas específicas da superfície digitalizada.
A equipe de pesquisa - Yong-hui Zhang, trabalhando com Peter Wahl e o professor Klaus Kern - baseado em sua técnica QPCM em STM de baixa temperatura, e, de fato, o QPCM opera em um microscópio de tunelamento de varredura de baixa temperatura a ~ 6 K (-267 ° C) em um vácuo ultra-alto. Contudo, enquanto STM é geralmente operado em condutância muito abaixo de um quantum de condutância - uma unidade quantizada de condutância, representado por G 0 - QPCM é operado em condutâncias até alguns quanta de condutância. “O principal desafio na concepção e implementação da técnica QPCM, ”Diz Zhang, “É manter uma configuração atômica estável no contato do ponto atômico único durante a geração de imagens, uma vez que há grande tensão dentro do ponto de contato e, portanto, a configuração atômica é muitas vezes muito vulnerável a qualquer pequena perturbação mecânica ". Uma vez que a tensão em uma junção de tunelamento é muito menor do que no ponto de contato, a instabilidade no ápice da ponta para imagens STM é menos preocupante do que para QPCM.
A equipe também alavancou pesquisas anteriores no campo. “A formação de um único ponto de contato atômico em superfícies de metal nobre tem sido intensamente estudada pelo STM no grupo do Prof. Richard Berndt na Universidade de Kiel na Alemanha durante os últimos anos, ”Observa Zhang. A equipe de Berndt mostrou que a condutância sobre prata e cobre simples adátomos (átomos adsorvidos em uma superfície) exibem uma transição suave e reproduzível do tunelamento para o regime de contato, demonstrando que um contato estável pode ser formado como a ponta de contato se aproximando verticalmente de um único adatom de metal em superfícies de metal nobre. “Em nosso trabalho, ”Zhang acrescenta, “A imagem QPCM é realizada após estabelecer um contato estável, digitalizando o contato em um plano paralelo à superfície no modo de varredura de altura constante e registrando a corrente. Descobrimos que a estrutura do ápice da ponta influencia fortemente tanto a estabilidade do contato atômico quanto a qualidade da imagem do QPCM, onde as melhorias são feitas por meio do treinamento do ápice da ponta, por exemplo, indentação repetida da ponta no substrato de metal. ”
Imagem QPCM de uma liga de superfície de ferro-platina (FePt). (A) Imagem de corrente constante de tunelamento de uma borda de degrau na superfície Pt (111) preparada com a liga de superfície FePt antes de executar QPCM com o adatom (que foi colocado para baixo a partir da ponta) no centro superior da imagem. A não homogeneidade espacial observada no terraço origina-se de estados eletrônicos devido à liga. (B) imagem QPCM da mesma área que em (A); Pode haver deslocamento lateral de menos de 1 Ĺ em relação a (A). Um ligeiro aumento na condutância de cima para baixo é encontrado devido à fluência do piezo durante a varredura. Em contraste com a imagem de tunelamento em (A), a imagem QPCM resolve diferenças de condutância na escala atômica no terraço com liga, bem como a estrutura atômica da borda do degrau. (C) Modelo estrutural da unidade estrutural 2 x 1 conforme indicado em (B) e o padrão de condutância calculado associado a ele. Os átomos mostrados com mais brilho estão nas camadas inferiores (primeiras três camadas mostradas). O padrão de condutância é obtido a partir de um cálculo de modelo. As áreas mais escuras representam uma condutância mais baixa. Reproduzido com permissão da Quantum Point Contact Microscopy, Yong-hui Zhang et al., Nano Letras, 26 de julho 2011, Copyright © 2011 American Chemical Society
Zhang também aponta que a técnica de imagem QPCM em si não é totalmente nova:a imagem atômica manipulada foi relatada pela primeira vez por J.A. Stroscio no NIST em 2004 e pelo grupo de Berndt em 2010, onde ambos demonstraram um adatom sendo manipulado lateralmente pela ponta STM durante a geração de imagens no modo de corrente constante. ”A imagem do átomo manipulado pode ser considerada a mesma que a imagem QPCM, ”Zhang aponta, “Apesar de operarem em modos de varredura diferentes e os primeiros serem utilizados para operar em condutância inferior. A novidade de nosso trabalho está no estudo QPCM de uma reconstrução de superfície de ouro (Au (111)) e uma liga de superfície de ferro-platina (FePt), onde o empilhamento atômico local e a composição química influenciam a corrente de transporte através do contato atômico. ”O que é fundamental na pesquisa de Zhang et al é que a interpretação da imagem QPCM é facilitada pela operação em modo de altura constante, e, portanto, o controle de feedback da ponta de varredura não é uma preocupação.
Além disso, Zhang acrescenta, “Nosso trabalho demonstra que o QPCM pode revelar mais informações de superfície do que o STM. Portanto, a técnica QPCM pode ser útil na pesquisa experimental de caracterização de superfície. ”
Também há espaço para melhorias. “Uma vantagem da técnica QPCM é que as imagens STM e QPCM podem ser facilmente combinadas, ”Observa Zhang. “No futuro, será muito bom usar um programa de computador para guiar o caminho de varredura do contato durante a imagem QPCM, evitando assim áreas na superfície da imagem STM que podem destruir potencialmente a configuração atômica do contato. Espera-se que esta medida aumente a chance de sucesso na realização de imagens QPCM. ”
O futuro também reserva a possibilidade de o QPCM ter um impacto em uma variedade de dispositivos e aplicativos. “A técnica QPCM pode promover o desenvolvimento da nanoeletrônica ou outra aplicação relevante, ”Zhang observa. "Uma boa compreensão e controle do transporte eletrônico em objetos em nanoescala ajudará no projeto e desenvolvimento de dispositivos em nanoescala, como transistores moleculares e sensores, ou nanofios que interconectam componentes nanoeletrônicos. Nosso trabalho demonstra que a técnica QPCM pode sondar a influência do empilhamento atômico local e da composição química na condutância do transporte, assim, melhorar nossa compreensão do transporte quântico. ”
Em termos de próximas etapas em sua pesquisa, Zhang conclui, “Depois de estudar reconstrução de superfície e liga de superfície com QPCM, a próxima etapa será o estudo QPCM dos estados eletrônicos na superfície. Além da capacidade de sondar o empilhamento atômico da superfície e a composição química, a técnica QPCM também deve revelar a influência da densidade eletrônica local de estados na corrente de transporte através do contato atômico. ”
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