Mencitrakan atom pada kristal atom 2D dalam cairan

Peter Nirmalraj menyelidiki sifat bahan berlapis 2D menggunakan C₆₀ probe STM logam yang difungsikan di laboratorium bebas kebisingan di Binnig and Rohrer Nanotechnology Center. (Sumber:Marcel Begert, IBM Research–Zurich)

Lebih dari 35 tahun setelah pemenang Nobel IBM Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer menemukan mikroskop terowongan pemindaian (STM), para ilmuwan IBM di Zurich telah mencapai terobosan lain di bidang pencitraan atom-demi-atom dan metrologi. Tapi kali ini dalam bentuk cair.

Bekerja sama dengan ilmuwan dari Universitas Limerick, cole Polytechnique Fédérale de Lausanne, dan Universitas Massachusetts–Amherst, ilmuwan IBM Peter Nirmalraj, Bernd Gotsmann, dan Heike Riel telah merancang dan berhasil mendemonstrasikan pengoperasian probe STM molekuler yang kuat — di ekosistem cair pada suhu kamar untuk menganalisis material berlapis 2D yang muncul.

Pekerjaan ini menandai pencapaian teknis pertama kali. Sebelumnya, pencitraan material berdimensi rendah seperti molekul organik dan material 2D menggunakan probe STM molekuler dengan resolusi spasial spektakuler dicapai di bawah vakum ultra tinggi (UHV), seringkali pada kondisi kriogenik.

Makalah berjudul “Penyelidikan molekuler yang kuat untuk analisis skala ngstrom dalam cairan”, yang muncul hari ini di Nature Communications , menguraikan penelitian dan temuannya.

Saya berbicara dengan Peter, yang berspesialisasi dalam ilmu permukaan molekuler dan pemindaian mikroskop probe dalam cairan, untuk mempelajari lebih lanjut tentang penelitiannya.

Elemen desain probe mana yang memungkinkan resolusi tinggi yang Anda capai dalam makalah Anda?

Peter Nirmalraj: Kami beralih dari menggunakan probe STM emas yang tidak berfungsi menjadi secara kimiawi mengakhiri puncak probe STM dengan karbon-60 tunggal (C₆₀ ) molekul, yang mengurangi reaktivitas puncak probe dan dapat meningkatkan kandungan informasi spasial dari bahan yang diselidiki. Hingga saat ini, tingkat kontrol dan cakupan informasi atom-demi-atom pada bahan 2D ini tidak mudah dicapai dalam cairan pada suhu kamar.

Apa yang khusus untuk pencitraan di bawah kondisi laboratorium standar, yang bertentangan dengan UHV umum dan kondisi kriogenik?

PN: Tantangan utama terletak pada stabilitas molekul tunggal di puncak ujung probe. Bayangkan sebuah gunung terbalik dan letakkan ceri di puncaknya — itulah skala yang kita perhatikan. Dalam kondisi kriogenik, kontak jauh lebih stabil karena fluktuasi minimal, tetapi pada suhu kamar, molekul aktif secara energetik dan dinamis. Hal ini cenderung menghasilkan kompleks probe STM molekuler yang tidak stabil. Di sini, kami menunjukkan bahwa probe halus pada suhu kamar dapat distabilkan dalam cairan berdensitas tinggi, yang mampu meminimalkan gerakan molekul yang ditambatkan di sekitar puncak probe logam STM.

Dari kiri ke kanan:Probe STM emas yang diakhiri dengan fullerene. Segi enam atom tunggal graphene monolayer menunjukkan situs atom karbon dalam kisi graphene. Struktur atom molibdenum disulfida 2D, di mana spesies atom dapat dianalisis secara selektif.

Forum Ekonomi Dunia menyebut material 2D sebagai salah satu dari 10 teknologi teratas yang muncul di tahun 2016. Dalam konteks ini, apa pentingnya resolusi tinggi yang dapat digunakan untuk melakukan pencitraan atom-demi-atom dari material 2D dalam cairan?

PN: Pemahaman yang lebih baik tentang sifat bahan 2D yang ditambang di bawah kondisi praktis akan menjadi penentu jika perangkat yang kuat berdasarkan bahan yang menarik tersebut akan direalisasikan. Pengetahuan yang akurat tentang kompatibilitas ambien material 2D, ketahanan lingkungan, dan properti elektronik akan menjadi manfaat besar bagi produsen perangkat seperti transistor film tipis atau perangkat elektronik transparan dan fleksibel berdasarkan material 2D.

“Teknik kami memungkinkan pembuatan sidik jari struktural dan elektronik yang lebih cepat dan lebih andal dari bahan 2D yang berkembang pesat.”

—Peter Nirmalraj, ilmuwan Riset IBM

Dalam meningkatkan karakterisasi bahan-bahan ini, kami berhasil menggabungkan resolusi setinggi mungkin hingga saat ini di bawah kondisi yang menantang secara eksperimental. Menjembatani kesenjangan ini memberi informasi nilai yang besar dan memiliki implikasi langsung dalam rekayasa perangkat berbasis material 2D.

Langkah apa yang harus diambil selanjutnya untuk memajukan pencitraan pada antarmuka cair-padat?

PN: Tes selanjutnya terletak pada penerapan teknik ini untuk menyelesaikan elemen molekul tunggal dengan resolusi submolekul. Dari sudut pandang eksperimental dan teoretis, kita perlu memahami lebih lanjut tentang mekanisme kopling antara molekul dan ujung dengan adanya media cair yang melingkupinya, dan tentang dampak elektronik dan struktural molekul dengan menjelajahi peningkatan yang diamati dalam kontras spasial. .