Abbildung von Atomen auf 2D-Atomkristallen in Flüssigkeiten

Peter Nirmalraj untersucht die Eigenschaften von 2D-Schichtmaterialien mit einem C₆₀ funktionalisierte Metall-STM-Sonde in den rauschfreien Labors des Binnig und Rohrer Nanotechnology Center. (Quelle:Marcel Begert, IBM Research–Zürich)

Mehr als 35 Jahre nachdem die IBM-Nobelpreisträger Gerd Binnig und Heinrich Rohrer das Rastertunnelmikroskop (STM) erfunden haben, ist den IBM-Wissenschaftlern in Zürich ein weiterer Durchbruch auf dem Gebiet der Atom-für-Atom-Bildgebung und -Messtechnik gelungen. Aber dieses Mal ist es in Flüssigkeiten.

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der University of Limerick, der École Polytechnique Fédérale de Lausanne und der University of Massachusetts-Amherst haben die IBM-Wissenschaftler Peter Nirmalraj, Bernd Gotsmann und Heike Riel den Betrieb einer robusten molekularen STM-Sonde entwickelt und erfolgreich demonstriert – in ein flüssiges Ökosystem bei Raumtemperatur, um neu entstehende 2D-Schichtmaterialien zu analysieren.

Diese Arbeit markiert eine erstmalige technische Errungenschaft. Zuvor wurde die Bildgebung von niederdimensionalen Materialien wie organischen Molekülen und 2D-Materialien mit einer molekularen STM-Sonde mit spektakulärer räumlicher Auflösung unter Ultrahochvakuum (UHV) erreicht, oft unter kryogenen Bedingungen.

Das heute in Nature Communications . erschienene Papier mit dem Titel „Eine robuste molekulare Sonde für ngström-scale analytics in liquids“ , skizziert die Forschung und ihre Ergebnisse.

Ich habe mit Peter gesprochen, der sich auf molekulare Oberflächenwissenschaften und Rastersondenmikroskopie in Flüssigkeiten spezialisiert hat, um mehr über seine Forschung zu erfahren.

Welches Element des Sondendesigns hat die hohe Auflösung ermöglicht, die Sie in Ihrer Arbeit erreicht haben?

Peter Nirmalraj: Wir gingen von der Verwendung einer nicht funktionalisierten Gold-STM-Sonde zur chemischen Terminierung der Spitze der STM-Sonde mit einem einzelnen Kohlenstoff-60 (C₆₀ )-Molekül, das die Reaktivität der Sondenspitze verringert und den räumlichen Informationsgehalt des untersuchten Materials verbessern kann. Bisher war dieses Maß an Kontrolle und Umfang der Informationen Atom für Atom auf 2D-Materialien in Flüssigkeiten bei Raumtemperatur nicht einfach zu erreichen.

Was ist das Besondere an der Bildgebung unter Standardlaborbedingungen im Gegensatz zu den üblichen UHV- und kryogenen Bedingungen?

PN: Die größte Herausforderung liegt in der Stabilität des einzelnen Moleküls am Apex der Sondenspitze. Stellen Sie sich einen umgekehrten Berg vor und platzieren Sie eine Kirsche auf seinem Gipfel – das ist die Skala, mit der wir uns beschäftigen. Unter kryogenen Bedingungen ist der Kontakt viel stabiler, da er minimale Schwankungen aufweist, aber bei Raumtemperatur ist das Molekül energetisch und dynamisch aktiv. Dies führt tendenziell zu einem instabilen molekularen STM-Sondenkomplex. Hier zeigen wir, dass eine empfindliche Sonde bei Raumtemperatur in hochdichten Flüssigkeiten stabilisiert werden kann, die in der Lage sind, die Bewegung des um die Spitze der STM-Metallsonde verankerten Moleküls zu minimieren.

Von links nach rechts:Fulleren-terminierte Gold-STM-Sonde. Ein einatomiges Sechseck aus einschichtigem Graphen, das die Kohlenstoffatome innerhalb des Graphengitters zeigt. Atomstruktur von 2D-Molybdändisulfid, wobei die Atomspezies selektiv analysiert werden kann.

Das World Economic Forum hat 2D-Materialien zu einer der Top 10 der neuen Technologien des Jahres 2016 ernannt. Welche Bedeutung hat in diesem Zusammenhang die hohe Auflösung, mit der man 2D-Materialien in Flüssigkeiten Atom für Atom abbilden kann?

PN: Ein besseres Verständnis der Eigenschaften von 2D-Materialien, die unter Praxisbedingungen abgebaut wurden, wird entscheidend sein, wenn robuste Geräte basierend auf solch spannenden Materialien realisiert werden sollen. Eine genaue Kenntnis der Umgebungsverträglichkeit, Umweltbeständigkeit und elektronischen Eigenschaften von 2D-Materialien wäre für Hersteller von Geräten wie Dünnschichttransistoren oder transparenten und flexiblen elektronischen Geräten auf Basis von 2D-Materialien von großem Vorteil.

"Unsere Technik ermöglicht ein schnelleres und zuverlässigeres strukturelles und elektronisches Fingerprinting einer schnell wachsenden Zahl von 2D-Materialien."

—Peter Nirmalraj, IBM Research-Wissenschaftler

Beim Scale-up der Charakterisierung dieser Materialien ist es uns gelungen, die bisher höchstmögliche Auflösung unter experimentell anspruchsvollen Bedingungen zu kombinieren. Die Überbrückung dieser Lücke verleiht den Informationen einen hohen Wert und hat direkte Auswirkungen auf die 2D-materialbasierte Geräteentwicklung.

Welche Schritte müssen als nächstes unternommen werden, um die Bildgebung an Flüssig-Fest-Grenzflächen voranzutreiben?

PN: Der nächste Test besteht darin, diese Technik anzuwenden, um einzelne molekulare Elemente mit submolekularer Auflösung aufzulösen. Sowohl aus experimenteller als auch aus theoretischer Sicht müssen wir mehr über die Kopplungsmechanismen zwischen dem Molekül und der Spitze in Gegenwart des umgebenden flüssigen Mediums und über die elektronischen und strukturellen Auswirkungen des Moleküls verstehen, indem wir die beobachteten Verbesserungen des räumlichen Kontrasts untersuchen .

Über den Autor: Millian Gehrer ist ein Sommerpraktikant bei IBM Research – Zürich, wo er Wissenschaftler interviewt, um mehr über ihre Arbeit und Motivation zu erfahren. Im Herbst wird er als Bachelor an der Princeton University Informatik studieren.