IBM Bricht Neues Terrain: Erste Flüssigphasen-Atomare Bildgebung 2D-Materialien Bei Raumtemperatur

Peter Nirmalraj untersucht Eigenschaften 2D-geschichteter Materialien mittels C₆₀-funktionalisierter Metall-STM-Sonde in den Noise-Free-Labs im Binnig and Rohrer Nano-Technology Center. (Source: Marcel Begert, IBM Research–Zurich)

Über 35 Jahre nach der Erfindung des Rastertunnelmikroskops durch Nobelpreisträger Gerd Binnig und Heinrich Rohrer haben IBM-Wissenschaftler in Zürich einen weiteren Meilenstein in atomarer Bildgebung erreicht – diesmal in Flüssigumgebungen.

In Partnerschaft mit Forschern der University of Limerick, École Polytechnique Fédérale de Lausanne und University of Massachusetts–Amherst entwickelten und demonstrierten IBM-Teammitglieder Peter Nirmalraj, Bernd Gotsmann und Heike Riel eine robuste molekulare STM-Sonde, die bei Raumtemperatur in Flüssigkeit operiert und die Analyse neuartiger zweidimensionaler geschichteter Materialien ermöglicht.

Dies stellt die erste erfolgreiche Nutzung einer molekularen STM-Sonde mit Ångström-Skalen-Auflösung in einem flüssigen Medium unter Standard-Laborbedingungen dar, ein Kunststück, zuvor limitiert auf Ultrahochvakuum (UHV) oder kryogene Umgebungen.

Die Ergebnisse sind im Paper „A robust molecular probe for Ångström-scale analytics in liquids“ veröffentlicht, heute in Nature Communications.

Ich sprach mit Peter, Spezialist für molekulare Oberflächenwissenschaft und flüssigphasen-Rastertastmikroskopie, um mehr über diesen Durchbruch zu erfahren.

Welches Element Des Sonden-Designs Ermöglichte Die Hohe Auflösung?

Peter Nirmalraj: Wir wechselten von einer nicht-funktionalisierten Gold-STM-Sonde zu chemischer Terminierung der Spitze mit einem einzelnen C₆₀-Molekül. Dies reduziert Apex-Reaktivität und bereichert die räumliche Information, die vom Material gewonnen wird. Eine solche atomare Kontrolle in Flüssigkeit bei Raumtemperatur zu erreichen, war eine signifikante Herausforderung.

Was Ist Besonderes An Bildgebung Unter Standard-Laborbedingungen Im Gegensatz Zu UHV Und Kryogenen Bedingungen?

PN: Die Kernschwierigkeit liegt in der Stabilität des einzelnen Moleküls an der Spitzenkuppe. Stellen Sie sich einen umgekehrten Berg vor, der mit einer Kirsche gekrönt ist – diese Skala fängt die erforderliche Sensitivität ein. Während kryogene Bedingungen Fluktuationen unterdrücken, bleibt das Molekül bei Raumtemperatur energetisch und dynamisch aktiv, was zu Instabilität führt. Unsere Arbeit demonstriert, dass eine delicate Sonde in hochdichten Flüssigkeiten stabilisiert werden kann, die die Bewegung des verankerten Moleküls dämpfen.

Von links nach rechts: Fulleren-terminierte Gold-STM-Sonde; ein einzelnes atomares Hexagon von Monolayer-Graphen mit hervorgehobenen Kohlenstoff-Gitterplätzen; atomare Struktur von 2D Molybdändisulfid mit selektiv analysierbaren Spezies.

Als das World Economic Forum 2D-Materialien zu den Top 10 Emerging Technologies 2016 zählte, wurde die Fähigkeit, sie bei atomarer Auflösung in realistischen Umgebungen zu sondieren, zunehmend kritisch. Genaues Wissen über ihre Umgebungsverträglichkeit, Umweltrobustheit und elektronische Eigenschaften ist essenziell für Hersteller von Dünnschichttransistoren, transparenten und flexiblen Elektroniken.

„Unsere Technik ermöglicht schnelleres und zuverlässigeres strukturelles und elektronisches Fingerprinting einer schnell wachsenden Anzahl 2D-Materialien.“

—Peter Nirmalraj, IBM Research Wissenschaftler

Durch Kombination höchster erreichbarer Auflösung mit experimentell herausfordernden Bedingungen erschließen wir wertvolle Informationen, die direkt 2D-Material-basiertes Device-Engineering informieren.

Welche Schritte Sind Nötig, Um Bildgebung An Flüssig-Fest-Grenzflächen Voranzutreiben?

PN: Der nächste Meilenstein ist das Auflösen einzelner molekularer Elemente mit sub-molekularer Auflösung. Experimentell und theoretisch müssen wir unser Verständnis der Kopplungsmechanismen zwischen spitzenverankertem Molekül und umgebender Flüssigkeit vertiefen und bewerten, wie der elektronische und strukturelle Einfluss des Moleküls räumlichen Kontrast verstärkt.

Über den Autor: Millian Gehrer ist Sommerpraktikant bei IBM Research – Zürich, wo er Wissenschaftler interviewt, um ihre Arbeit und Motivationen kennenzulernen. Im Herbst beginnt er ein Informatik-Studium an der Princeton University.