Imágenes de átomos en cristales atómicos 2D en líquidos

Peter Nirmalraj investiga las propiedades de los materiales en capas 2D utilizando un C ₆₀ Sonda STM de metal funcionalizada en los laboratorios sin ruido del Centro de Nanotecnología de Binnig y Rohrer. (Fuente:Marcel Begert, IBM Research – Zurich)

Más de 35 años después de que los premios Nobel de IBM Gerd Binnig y Heinrich Rohrer inventaran el microscopio de túnel de barrido (STM), los científicos de IBM en Zúrich han logrado otro gran avance en el campo de la metrología y las imágenes átomo por átomo. Pero esta vez es en líquidos.

En colaboración con científicos de la Universidad de Limerick, École Polytechnique Fédérale de Lausanne y la Universidad de Massachusetts-Amherst, los científicos de IBM Peter Nirmalraj, Bernd Gotsmann y Heike Riel han diseñado y demostrado con éxito el funcionamiento de una sonda STM molecular robusta, en un ecosistema líquido a temperatura ambiente para analizar materiales emergentes en capas 2D.

Este trabajo marca un logro técnico por primera vez. Anteriormente, la obtención de imágenes de materiales de baja dimensión, como moléculas orgánicas y materiales 2D, utilizando una sonda STM molecular con una resolución espacial espectacular, se lograba bajo vacío ultra alto (UHV), a menudo en condiciones criogénicas.

El artículo titulado "Una sonda molecular robusta para análisis en líquidos a escala Ångstrom", que apareció hoy en Nature Communications , describe la investigación y sus hallazgos.

Hablé con Peter, que se especializa en ciencia de superficies moleculares y microscopía de sonda de barrido en líquidos, para aprender más sobre su investigación.

¿Qué elemento del diseño de la sonda permitió la alta resolución que logró en su artículo?

Peter Nirmalraj: Pasamos de usar una sonda STM de oro no funcionalizada a terminar químicamente el vértice de la sonda STM con un solo carbono-60 (C ₆₀ ) molécula, que reduce la reactividad del ápice de la sonda y puede mejorar el contenido de información espacial del material bajo investigación. Hasta ahora, este nivel de control y alcance en la información átomo por átomo en materiales 2D no era trivial de lograr en líquidos a temperatura ambiente.

¿Qué tiene de particular la obtención de imágenes en condiciones estándar de laboratorio, a diferencia de las condiciones habituales de UHV y criogénicas?

PN: El principal desafío radica en la estabilidad de la única molécula en el vértice de la punta de la sonda. Imagínese una montaña invertida y coloque una cereza en su cima, esa es la escala que nos preocupa. En condiciones criogénicas, el contacto es mucho más estable porque tiene fluctuaciones mínimas, pero a temperatura ambiente, la molécula es activa enérgica y dinámicamente. Esto tiende a resultar en un complejo de sonda STM molecular inestable. Aquí, mostramos que una sonda delicada a temperatura ambiente puede estabilizarse en líquidos de alta densidad, que son capaces de minimizar el movimiento de la molécula anclada alrededor del ápice de la sonda de metal STM.

Desde la izquierda a la derecha:sonda STM de oro terminada en fullereno. Un hexágono atómico único de grafeno monocapa que muestra los sitios atómicos del carbono dentro de la red de grafeno. Estructura atómica del disulfuro de molibdeno 2D, donde las especies atómicas se pueden analizar de forma selectiva.

El Foro Económico Mundial nombró a los materiales 2D como una de las 10 principales tecnologías emergentes de 2016. En este contexto, ¿cuál es la importancia de la alta resolución con la que se pueden realizar imágenes átomo por átomo de materiales 2D en líquidos?

PN: Una mejor comprensión de las propiedades de los materiales 2D extraídos en condiciones prácticas será decisiva si se quieren realizar dispositivos robustos basados ​​en materiales tan interesantes. El conocimiento preciso de la compatibilidad ambiental, la solidez ambiental y las propiedades electrónicas de los materiales 2D sería un gran beneficio para los fabricantes de dispositivos como transistores de película delgada o dispositivos electrónicos transparentes y flexibles basados ​​en materiales 2D.

“Nuestra técnica permite una toma de huellas digitales estructurales y electrónicas más rápida y confiable de un cuerpo de materiales 2D en rápido crecimiento”.

- Peter Nirmalraj, científico de investigación de IBM

Al ampliar la caracterización de estos materiales, combinamos con éxito la resolución más alta posible hasta la fecha en condiciones experimentales desafiantes. Cerrar esta brecha le da a la información un gran valor y tiene implicaciones directas en la ingeniería de dispositivos basados ​​en materiales 2D.

¿Qué pasos se deben tomar a continuación para avanzar en la generación de imágenes en las interfaces líquido-sólido?

PN: La siguiente prueba consiste en aplicar esta técnica para resolver elementos moleculares individuales con resolución submolecular. Tanto desde un punto de vista experimental como teórico, necesitamos comprender más sobre los mecanismos de acoplamiento entre la molécula y la punta en presencia del medio líquido circundante, y sobre el impacto electrónico y estructural de la molécula mediante la exploración de las mejoras observadas en el contraste espacial. .