Figure 1A :Image schématique d'une seule molécule de CO dans la solitude adsorbée sur un seul cristal de cuivre. 1B :Images schématiques des vibrations d'une molécule de CO adsorbée sur une surface de cuivre. Une molécule de CO sur une surface présente deux types de modes vibrationnels horizontaux. Le mode de vibration à basse énergie est appelé mode de translation frustrée (FT), où les atomes d'oxygène et de carbone dévient dans la même direction. Le mode de vibration à haute énergie est appelé mode de rotation frustrée (FR), où les atomes d'oxygène et de carbone dévient dans des directions opposées. Crédit :Université de Kanazawa
La vibration d'une molécule sur une surface contient des informations critiques sur l'interaction molécule-surface, crucial pour comprendre les phénomènes de surface et pour des processus importants comme la catalyse. Il a été précédemment étudié avec une microscopie à sonde à balayage, mais la pointe de la sonde semblait exercer une force sur la molécule, affectant la vibration. Ici, en combinant STM, AFM et calculs de modèles, les résultats expérimentaux ont été reproduits avec précision; les interactions molécule-surface étaient affaiblies par la proximité de la pointe de la sonde.
Une molécule adsorbée sur une surface (figure 1A) vibre sur la surface (figure 1B). L'énergie de vibration est déterminée par la masse de la molécule et par les forces de rappel exercées sur la molécule. La force de rappel provient de l'interaction au sein de la molécule et avec la surface. En mesurant l'énergie vibratoire, donc, nous sommes capables d'apprendre les détails de l'interaction d'une molécule et d'une surface. Ces connaissances sont utiles pour comprendre des processus importants en sciences appliquées, comme les réactions catalytiques qui se déroulent sur une surface.
Étant donné que l'énergie de vibration d'une molécule dépend dans une large mesure de l'environnement de la molécule, il est nécessaire de mesurer l'énergie de vibration d'une molécule individuelle pour obtenir une compréhension approfondie de l'interaction d'une molécule et d'une surface, en tenant compte de l'environnement. Par exemple, une seule molécule isolée sur une surface monocristalline comme le montre la figure 1A est une cible idéale de ce type de recherche.
L'énergie de vibration d'une seule molécule peut être étudiée, avec un microscope à effet tunnel (STM), en plaçant la sonde métallique de STM juste au-dessus de la molécule et en mesurant précisément le courant en changeant la tension appliquée entre la sonde de STM et la surface. Comme le montre la figure 2A, le courant (I) et la tension (V) présentent une relation approximativement linéaire, dont la dérivée seconde (dérivée V de dI/dV) montre une paire pic et creux comme le montre la figure 2B. La paire pic et creux correspond à l'énergie de vibration d'une molécule. Ainsi, en utilisant cette méthode, l'énergie de vibration d'une seule molécule peut être déterminée.
A. Lors de l'application d'une tension entre une sonde métallique d'un microscope à sonde à balayage*3) et une surface de cuivre sur laquelle la molécule est adsorbée, un courant électrique est généré entre les deux électrodes. La relation entre le courant (I) et la tension (Vt) est approximativement linéaire. B. La dérivée seconde de la relation entre le courant et la tension donne deux paires de pics et de creux à la tension correspondant à l'énergie de vibration de la molécule. Une paire représente le mode FT, L'autre, mode FR. Crédit :Université de Kanazawa
Il a été signalé précédemment, cependant, que lorsqu'une sonde métallique était placée très près d'une molécule pour mesurer le courant, la pointe de la sonde exerce elle-même une force sur la molécule, affectant son énergie vibratoire. Dans cette étude, nous avons mesuré la force entre la sonde et la molécule par microscope à force atomique (AFM) et l'énergie de vibration par STM pour élucider leur relation.
La présente étude a été menée par une collaboration de chercheurs de l'Université de Kanazawa, Japon, Université de Ratisbonne, Allemagne, et l'Université de Linné, Suède. Les expériences ont été faites à l'Université de Ratisbonne.
La force entre une sonde et une molécule a été mesurée à l'aide du capteur de force développé par le Pr Giessibl, Université de Ratisbonne, Allemagne, un co-auteur de l'étude. Le support qui était attaché avec le capteur de force a oscillé à une fréquence de résonance (environ 50 kHz) du porte-à-faux du capteur pour faire osciller le porte-à-faux efficacement. Une sonde métallique était fixée à l'extrémité du porte-à-faux, où la pointe de la sonde était constituée d'un seul atome. En plaçant la pointe de la sonde à proximité immédiate d'une molécule adsorbée sur la surface, une force apparaît entre la molécule et la pointe de la sonde, qui modifie la fréquence de résonance du cantilever. De tels changements, la force entre la pointe de la sonde et la molécule peut être déterminée. La figure 3A montre les données expérimentales concernant la force apparaissant entre la pointe de la sonde et la molécule de CO adsorbée sur une surface de cuivre lors du changement de la distance entre la pointe de la sonde et la molécule de CO ; un ensemble de données est comparé à un autre ensemble avec une pointe de sonde différente. Cette comparaison indique la différence des forces exercées sur la molécule par les deux pointes de sonde différentes. Chaque pointe de sonde se compose d'un seul atome, mais la différence dans la structure derrière l'atome unique affecte les forces exercées.
A. La force (Fz) générée sur les deux lors du changement de la distance (z) entre la pointe de la sonde et la molécule. Le signe moins signifie la force d'attraction générée. La figure montre les résultats expérimentaux avec deux sondes différentes, indiquant que la force est différente avec une sonde différente. B. L'énergie de vibration (E) de la molécule de CO lors du changement de la distance entre la sonde et la molécule. La sonde exerçant une force plus importante sur la molécule entraîne un changement plus important de l'énergie de vibration de la molécule. Crédit :Université de Kanazawa
Après les mesures de force, l'énergie de vibration a été étudiée en mesurant avec précision le courant généré en appliquant une tension entre la pointe de la sonde et la surface. La figure 3B montre le changement de l'énergie de vibration lors du changement de la distance entre la pointe de la sonde et la molécule. La pointe de la sonde qui exerce la force d'attraction la plus importante affecte davantage l'énergie de vibration de la molécule.
Prochain, les résultats expérimentaux ont été analysés à l'aide d'un modèle classique qui considère la vibration d'une molécule comme un double pendule. Avec un pendule ordinaire, la gravité fournit une force de rappel, tandis que dans cette étude, les liaisons au sein de la molécule et entre la molécule et la surface ont fourni une force de restauration. L'énergie de vibration a été calculée à l'aide de ce modèle de pendule avec des forces apparaissant entre la pointe de la sonde et la molécule prise en compte. En outre, il a également été pris en considération que les forces exercées par la pointe de la sonde affaiblissaient les liaisons au sein de la molécule et entre la molécule et la surface. Ce modèle reproduit avec succès et avec précision les résultats expérimentaux.
La présente étude approfondit considérablement notre compréhension de l'interaction d'une molécule et d'une surface et de l'interaction d'une pointe de sonde et d'une molécule. Dans cette étude, une molécule simple, CO, ayant une structure moléculaire très simple a été utilisé comme cible de recherche. On s'attend à ce que cette étude stimule d'autres recherches sur des molécules de structure et d'importance technologique plus complexes. On s'attend également à ce que la liaison entre une molécule et une surface soit rompue par une pointe de sonde métallique, qui peuvent s'appliquer aux processus induisant des réactions chimiques.
