Illustration de QPCM sur une surface Cu(111). (A) Modèle schématique démontrant le principe de fonctionnement de QPCM. Les cercles gris et les flèches indiquent le mouvement de la pointe et le contact atomique Cu. (B) Conductance G en fonction de la distance d'approche de la pointe d acquise avec la pointe au-dessus d'un adatome de Cu. (C) image QPCM avec la même taille de numérisation que l'encart dans (B); le balayage avant (de gauche à droite) est affiché. (D) Balayage vers l'arrière (de droite à gauche) acquis simultanément avec l'image montrée en (C). (E) Image actuelle constante d'un bord de marche sur Cu (111). Les modèles d'ondes stationnaires provenant de l'état de surface sont clairement visibles sur l'image. (F) Image QPCM de la même zone que celle indiquée en (E). La diminution de conductance de haut en bas de l'image est due au plan dans lequel la pointe balaie étant légèrement incliné par rapport à la surface. Réimprimé avec la permission de Quantum Point Contact Microscopy, Yonghui Zhang et al., Nano lettres, 26 juillet 2011, Copyright © 2011 Société chimique américaine
(PhysOrg.com) -- Depuis l'apparition des premiers microscopes optiques à la fin des années 1600 - une date exacte et l'inventeur original échappe à une identification précise - la microscopie a considérablement évolué. Microscopie à effet tunnel (STM), la microscopie à force atomique (AFM) et (bien que généralement pas reconnue comme une méthode établie) la microscopie à contact ponctuel (PCM) permettent aux scientifiques de visualiser des objets inaccessibles aux microscopes optiques, avec des images d'atomes désormais banales. Néanmoins, même cette marche inexorable vers des échelles toujours plus petites a rencontré des limites. (Par exemple, La STM ne fournit pas d'informations sur la chimie locale, tandis que le PCM ne peut pas correctement imager les atomes individuels car il n'a pas de contact avec un seul atome.)
Cependant, recherches menées dans le département des sciences à l'échelle nanométrique du Max Plank Institute for Solid State Research à Stuttgart, L'Allemagne a démontré la prochaine étape : microscopie de contact à point quantique (QPCM), qui utilise des atomes simples au contact entre la pointe et la surface pour déterminer la structure atomique des surfaces conductrices et, pour la première fois, fournir des images d'atomes empilés dans l'espace réel. De plus, QPCM peut également être utilisé pour étudier le transport quantique, et en utilisant des molécules comme contact pour potentiellement identifier des caractéristiques chimiques spécifiques de la surface balayée.
L'équipe de recherche – Yong-hui Zhang, travailler avec Peter Wahl et le professeur Klaus Kern - basé leur technique QPCM sur STM à basse température, et en fait QPCM fonctionne dans un microscope à effet tunnel à basse température à ~ 6 K (-267 ° C) dans un ultra-vide. Cependant, tandis que STM est généralement exploité à une conductance bien en dessous d'un quantique de conductance – une unité quantifiée de conductance, représenté par G
L'équipe a également tiré parti des recherches antérieures dans le domaine. "La formation d'un seul point de contact atomique sur des surfaces de métaux nobles a été intensivement étudiée par STM dans le groupe du professeur Richard Berndt à l'Université de Kiel en Allemagne au cours des dernières années, », note Zhang. L'équipe de Berndt a montré que la conductance sur de l'argent et du cuivre adatomes (atomes adsorbés sur une surface) présente une transition douce et reproductible du régime tunnel au régime de contact, démontrant qu'un contact stable peut être formé lorsque la pointe de contact s'approche verticalement d'un seul adatome de métal sur des surfaces de métaux nobles. « Dans notre travail, " Zhang ajoute, « L'imagerie QPCM est réalisée après avoir établi un contact stable en balayant le contact dans un plan parallèle à la surface en mode de balayage à hauteur constante et en enregistrant le courant. Nous avons trouvé que la structure de l'apex de la pointe influence fortement à la fois la stabilité du contact atomique et la qualité de l'image du QPCM, où des améliorations sont apportées en entraînant l'apex de la pointe à travers, par exemple, une indentation répétée de la pointe dans le substrat métallique.
Image QPCM d'un alliage de surface fer-platine (FePt). (A) Tunneling image à courant constant d'un bord de marche sur la surface Pt (111) préparé avec l'alliage de surface FePt avant d'effectuer QPCM avec l'adatome (qui a été déposé de la pointe) en haut au centre de l'image. L'inhomogénéité spatiale observée sur la terrasse provient d'états électroniques dus à l'alliage. (B) image QPCM de la même zone qu'en (A); un déplacement latéral inférieur à 1 par rapport à (A) peut exister. Une légère augmentation de la conductance de haut en bas est trouvée en raison du fluage piézo pendant le balayage. Contrairement à l'image tunnel en (A), l'image QPCM résout les différences de conductance à l'échelle atomique sur la terrasse alliée ainsi que la structure atomique du bord de la marche. (C) Modèle structurel de l'unité structurelle 2 x 1 comme indiqué en (B) et modèle de conductance calculé qui lui est associé. Les atomes plus clairs se trouvent dans les couches inférieures (les trois premières couches sont illustrées). Le diagramme de conductance est obtenu à partir d'un calcul de modèle. Les zones plus sombres représentent une conductance plus faible. Réimprimé avec la permission de Quantum Point Contact Microscopy, Yonghui Zhang et al., Nano lettres, 26 juillet 2011, Copyright © 2011 Société chimique américaine
Zhang souligne également que la technique d'imagerie QPCM n'est pas entièrement nouvelle :l'imagerie atomique manipulée a été rapportée pour la première fois par J.A. Stroscio au NIST en 2004 et par le groupe de Berndt en 2010, où les deux ont démontré un adatome manipulé latéralement par la pointe STM lors de l'imagerie en mode courant constant. « L'imagerie d'atomes manipulés pourrait être considérée comme la même que l'imagerie QPCM, " Zhang fait remarquer, « malgré le fait qu'ils fonctionnent à des modes de balayage différents et que le premier est utilisé pour fonctionner à une conductance plus faible. La nouveauté de notre travail réside dans l'étude QPCM d'une reconstruction de surface en or (Au(111)) et d'un alliage de surface fer-platine (FePt), où l'empilement atomique local et la composition chimique influencent le courant de transport à travers le contact atomique. et par conséquent, le contrôle par rétroaction de la pointe de balayage n'est pas un problème.
De plus, Zhang ajoute, « Notre travail démontre que QPCM peut révéler plus d'informations de surface que STM. Par conséquent, la technique QPCM peut être utile dans la recherche expérimentale de caractérisation de surface.
Il y a aussi place à amélioration. « L'un des avantages de la technique QPCM est que l'imagerie STM et QPCM peut être facilement combinée, », note Zhang. « À l'avenir, il sera très agréable d'utiliser un programme informatique pour guider le chemin de balayage du contact lors de l'imagerie QPCM, évitant ainsi les zones sur la surface de l'image STM qui peuvent potentiellement détruire la configuration atomique du contact. Cette mesure devrait augmenter les chances de succès dans la réalisation de l'imagerie QPCM.
L'avenir réserve également la possibilité que QPCM ait un impact sur une gamme d'appareils et d'applications. « La technique QPCM pourrait faire progresser le développement de la nanoélectronique ou d'autres applications pertinentes, », note Zhang. "Une bonne compréhension et un bon contrôle du transport électronique dans les objets nanométriques aideront à la conception et au développement de dispositifs nanométriques tels que les transistors moléculaires et les capteurs, ou des nanofils qui interconnectent des composants nanoélectroniques. Notre travail démontre que la technique QPCM peut sonder l'influence de l'empilement atomique local et de la composition chimique sur la conductance de transport, améliorer ainsi notre compréhension du transport quantique.
En ce qui concerne les prochaines étapes de leur recherche, Zhang conclut, « Après avoir étudié la reconstruction de surface et l'alliage de surface avec QPCM, la prochaine étape sera l'étude QPCM des états électroniques en surface. Outre la capacité de sonder l'empilement atomique de surface et la composition chimique, la technique QPCM devrait également révéler l'influence de la densité électronique locale d'états sur le courant de transport à travers le contact atomique.
Copyright 2011 PhysOrg.com.
Tous les droits sont réservés. Ce matériel ne peut pas être publié, diffuser, réécrit ou redistribué en tout ou en partie sans l'autorisation écrite expresse de PhysOrg.com.
