液体中二维原子晶体上的原子成像

Peter Nirmalraj在 Binnig 和 Rohrer 纳米技术中心的无噪声实验室中，使用 C60 功能化金属 STM 探针研究 2D 层状材料的特性。 （来源：Marcel Begert，IBM 苏黎世研究院）

在 IBM 诺贝尔奖获得者 Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer 发明扫描隧道显微镜 (STM) 35 多年后，位于苏黎世的 IBM 科学家在逐原子成像和计量学领域取得了又一次突破。但这次是液体。

IBM 科学家 Peter Nirmalraj、Bernd Gotsmann 和 Heike Riel 与利默里克大学、洛桑联邦理工学院和马萨诸塞大学阿默斯特分校的科学家合作，设计并成功展示了强大的分子 STM 探针的操作——在室温下的液态生态系统，用于分析新兴的二维层状材料。

这项工作标志着首次技术成就。以前，使用具有惊人空间分辨率的分子STM探针对有机分子和二维材料等低维材料进行成像是在超高真空（UHV）下（通常在低温条件下）实现的。

今天发表在Nature Communications上的论文题为“一种用于液体中Ångstrom级分析的强大分子探针” , 概述了研究及其发现。

我采访了彼得，他专攻分子表面科学和液体扫描探针显微镜，以了解他的更多研究。

探针设计的哪个元素使您在论文中获得了高分辨率？

彼得·尼尔马拉吉： 我们从使用非功能化的金 STM 探针转变为用单个碳 60 (C60) 分子化学终止 STM 探针的顶点，这降低了探针顶点的反应性并可以增强材料的空间信息含量调查。到目前为止，在室温下的液体中实现这种对二维材料逐原子信息的控制和范围的控制和范围并非易事。

与常见的 UHV 和低温条件相比，标准实验室条件下的成像有何特别之处？

PN： 主要挑战在于探针尖端顶端的单个分子的稳定性。想象一座倒立的山，在它的峰顶放一颗樱桃——这就是我们关心的尺度。在低温条件下，接触更加稳定，因为它的波动很小，但在室温下，分子在能量和动态上是活跃的。这往往会导致不稳定的分子 STM 探针复合物。在这里，我们展示了室温下的精密探针可以稳定在高密度液体中，这能够最大限度地减少固定在 STM 金属探针顶点周围的分子的运动。

左起右：富勒烯封端的金 STM 探针。单层石墨烯的单原子六边形显示石墨烯晶格内的碳原子位点。二维二硫化钼的原子结构，可选择性分析原子种类。

世界经济论坛将二维材料评为 2016 年十大新兴技术之一。在这种背景下，您可以对液体中的二维材料进行逐原子成像的高分辨率有什么意义？

PN： 如果要实现基于这种令人兴奋的材料的坚固设备，更好地了解在实际条件下开采的 2D 材料的特性将成为决定性的。准确了解二维材料的环境兼容性、环境稳定性和电子特性将对薄膜晶体管或基于二维材料的透明柔性电子设备等设备制造商大有裨益。

“我们的技术可以对快速增长的二维材料体进行更快、更可靠的结构和电子指纹识别。”

—Peter Nirmalraj，IBM 研究科学家

在扩大这些材料的表征过程中，我们在具有挑战性的实验条件下成功地结合了迄今为止的最高分辨率。弥合这一差距为信息提供了巨大的价值，并对基于 2D 材料的设备工程具有直接影响。

下一步必须采取哪些步骤来推进液-固界面的成像？

PN： 下一个测试在于应用该技术以亚分子分辨率解​​析单个分子元素。从实验和理论的角度来看，我们需要通过探索观察到的空间对比度的改善来更多地了解分子和尖端之间在包含液体介质的情况下的耦合机制，以及分子的电子和结构影响.

关于作者： Millian Gehrer 是 IBM Research – Zurich 的暑期实习生，他正在那里采访科学家，以了解他们的工作和动机。秋季，他将开始在普林斯顿大学攻读计算机科学。