Un seul atome d'argent sur un substrat d'argent (Ag(111)) sous le microscope à boîte quantique à balayage. Crédit :Forschungszentrum Jülich
En utilisant une seule molécule comme capteur, des scientifiques de Jülich ont réussi à imager des champs de potentiel électrique avec une précision inégalée. Les images à ultra haute résolution fournissent des informations sur la distribution des charges dans les couches électroniques de molécules individuelles et même d'atomes. La technique 3D est également sans contact. Les premiers résultats obtenus grâce à la « microscopie à points quantiques à balayage » ont été publiés dans le numéro actuel de Lettres d'examen physique . La publication connexe a été choisie comme suggestion de l'éditeur et sélectionnée comme point de vue dans le portail scientifique Physics. La technique est pertinente pour divers domaines scientifiques, y compris les enquêtes sur les biomolécules et les matériaux semi-conducteurs.
"Notre méthode est la première à imager les champs électriques près de la surface d'un échantillon de manière quantitative avec une précision atomique à l'échelle sub-nanométrique, " explique le Dr Ruslan Temirov du Forschungszentrum Jülich. De tels champs électriques entourent toutes les nanostructures comme une aura. Leurs propriétés fournissent des informations, par exemple, sur la répartition des charges dans les atomes ou les molécules.
Pour leurs mesures, les chercheurs de Jülich ont utilisé un microscope à force atomique. Cela fonctionne un peu comme un tourne-disque :une pointe se déplace sur l'échantillon et reconstitue une image complète de la surface. Pour imager les champs électriques jusqu'à présent, les scientifiques ont utilisé toute la partie avant de la pointe de balayage comme sonde Kelvin. Mais la grande différence de taille entre la pointe et l'échantillon entraîne des difficultés de résolution - si nous devions imaginer qu'un seul atome avait la même taille qu'une tête d'épingle, alors la pointe du microscope serait aussi grande que l'Empire State Building.
Molécule unique comme capteur
Afin d'améliorer la résolution et la sensibilité, les scientifiques de Jülich ont attaché une seule molécule sous forme de point quantique à la pointe du microscope. Les points quantiques sont de minuscules structures, ne mesurant pas plus de quelques nanomètres de diamètre, qui en raison du confinement quantique ne peut que supposer certaines, états discrets comparables au niveau d'énergie d'un seul atome.
La molécule à la pointe du microscope fonctionne comme une balance de faisceau, qui s'incline d'un côté ou de l'autre. Un décalage dans un sens ou dans l'autre correspond à la présence ou à l'absence d'un électron supplémentaire, qui saute de la pointe à la molécule ou ne le fait pas. La balance « moléculaire » ne compare pas des poids mais plutôt deux champs électriques qui agissent sur l'électron mobile du capteur moléculaire :le premier est le champ d'une nanostructure en cours de mesure, et le second est un champ entourant la pointe du microscope, qui transporte une tension.
Dr Christian Wagner. Crédit :Forschungszentrum Jülich
"La tension à la pointe est modifiée jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint. Si nous savons quelle tension a été appliquée, on peut déterminer le champ de l'échantillon à la position de la molécule, " explique le Dr Christian Wagner, membre du groupe Young Investigators de Temirov à l'Institut Peter Grünberg de Jülich (PGI-3). "Parce que tout l'équilibre moléculaire est si petit, ne comprenant que 38 atomes, nous pouvons créer une image très nette du champ électrique de l'échantillon. C'est un peu comme une caméra avec de très petits pixels."
Universellement applicable
Illustration du principe de mesure :en fonction du champ de potentiel électrique local d'une nanostructure à la surface d'un échantillon, un seul électron saute de la pointe du microscope à la molécule du capteur ou à l'arrière. Crédit :Forschungszentrum Jülich
Un brevet est en instance pour la méthode, qui est particulièrement adapté à la mesure de surfaces rugueuses, par exemple celles de structures semi-conductrices pour dispositifs électroniques ou de biomolécules repliées. "Contrairement à de nombreuses autres formes de microscopie à sonde à balayage, La microscopie quantique à balayage peut même fonctionner à une distance de plusieurs nanomètres. Dans le nanomonde, c'est une distance assez considérable, " dit Christian Wagner. Jusqu'à présent, la technique développée à Jülich n'a été appliquée que sous vide poussé et à basse température :des prérequis indispensables pour attacher soigneusement la molécule unique à la pointe du microscope.
À gauche :la micrographie à points quantiques à balayage d'une molécule PTCDA révèle les charges partielles négatives aux extrémités de la molécule ainsi que les charges partielles positives au centre. Centre :Potentiel électrique simulé au-dessus d'une molécule PTCDA avec structure moléculaire À droite :Schéma de distribution de charge dans la molécule PTCDA. Crédit :Forschungszentrum Jülich
"En principe, des variations qui fonctionneraient à température ambiante sont envisageables, " croit le physicien. D'autres formes de points quantiques pourraient être utilisées comme capteur à la place de la molécule, tels que ceux qui peuvent être réalisés avec des matériaux semi-conducteurs :un exemple serait les points quantiques constitués de nanocristaux comme ceux déjà utilisés en recherche fondamentale.
