[論文レビュー] Resolving chemical structures in scanning tunnelling microscopy

Christian Weiss, Christian Wagner+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2009

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 23被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、気体が凝縮する場所に形成されるナノスケールの力センサーを介して斥力の力を検出することにより、分子の化学的構造を解像する新しい走査トンネル顕微鏡（STM）技術を提案する。この手法は力の信号を電流に変換し、長距離相互作用の歪みがない原子分解能の像を得る。これは、原子間力顕微鏡（AFM）と同等の分解能を達成する。

ABSTRACT

With the invention of scanning probe techniques, direct imaging of single atoms and molecules became possible. Today, scanning tunnelling microscopy (STM) routinely provides angstrom-scale image resolution. At the same time, however, STM images suffer from a serious drawback - the absence of chemical information. Here we demonstrate a modification of STM that resolves the chemical structure of molecular adsorbates. The key to the new STM mode is a combined force sensor and signal transducer that is formed within the tunnelling junction when a suitable gas condenses there. The method probes the repulsive branch of the surface adsorption potential and transforms the force signal into a current. Obtained images achieve the same resolution as state-of-the-art atomic force microscopy (AFM). In contrast to AFM, however, our (uncalibrated) force sensor is of nanoscale dimensions and therefore intrinsically insensitive to those long-range interactions that make atomic-resolution AFM so demanding.

研究の動機と目的

• 従来のSTMが化学的特異性に欠ける根本的制限を克服するため、トンネル接合部に力センシングを統合すること。
• 改変されたSTM装置を用いて、分子吸着体の原子分解能像を化学的構造情報とともに得ること。
• 校正済み力センサーの必要性を排除するため、トンネル接合部に内在するナノスケールの力感度を活用すること。
• 高分解能AFM測定を複雑にする長距離相互作用を回避するソリューションを提供すること。
• 標準的なSTM操作と互換性がある、校正を必要としない実用的な力センシングメカニズムを実証すること。

提案手法

• Xeなどの気体をSTM接合部に凝縮させ、先端と試料の間でナノスケールの機械的接触を形成する。
• 得られる接合部は、表面吸着ポテンシャルの反発的成分に感受性を示す、併せて力センサーと信号変換器として機能する。
• トンネル過程を介して力信号が測定可能な電流に変換され、高い空間分解能が維持される。
• 電流が機械的力によって変調されるモードで動作し、力依存性の像を得ることが可能になる。
• 長距離の静電的およびファンデルワールス相互作用を回避するため、短距離のナノスケール接触力に依存する。
• 標準的なSTM電子回路を用いて撮影を行い、先端接近時の電流変動から力情報を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STM接合部に内在するナノスケールの力センサーを形成することで、化学的構造の解像が可能になるか？
• RQ2 気体凝縮接合部における力から電流への変換メカニズムは、従来のAFMと比較して分解能および感度においてどのように異なるか？
• RQ3 長距離相互作用が存在しないことで、このモードにおける原子分解能像の実現可能性はどの程度向上するか？
• RQ4 この手法は、化学的特異性を保持したまま、アングストローム未満の分解能を達成できるか？
• RQ5 実験環境において校正を必要としない状態で、力センサーの性能は安定的かつ再現可能か？

主な発見

• 本手法は、最先端の原子間力顕微鏡（AFM）と同等の分解能で分子吸着体の原子分解能像を得た。
• 力センサーは内在的にナノスケールであるため、従来のAFMを複雑にする長距離相互作用に影響されない。
• 表面吸着ポテンシャルの反発的成分の検出により、化学的構造情報が解像された。
• 校正済み力センサーを必要とせず、気体凝縮接合部の内在的機械的応答に依存する。
• トンネル過程を介して力信号が電流に変換され、標準的なSTM装置を用いた直接像取得が可能になった。
• 本手法は、1つの校正不要なナノスケール接合部にSTMと力センシングを統合する可能性を実証した。