Forskare vid Justus Liebig University Giessen har nyligen lyckats upplösa atomstrukturen i, och orienteringen hos, ”ojämna” enskilda organiska molekyler på en silveryta. De kombinerade befintliga metoder från atomkraftsmikroskopi (AFM) med principer från sveptunnelmikroskopi (STM).  Det här kan vara viktigt för t ex ytfysik, ytkemi och molekylelektronik.

Sveptunnelmikroskopet utvecklades 1981 av Gerd Binnig and Heinrich Rohrer. För det belönades de med Nobelpriset i fysik 1986. Det utnyttjar kvantmekanisk tunneleffekt av elektroner över en potentialskillnad i gapet mellan en vass och elektriskt ledande spets och en ledande/halvledande materialyta. Tunnelströmmen är proportionell mot avståndet mellan spetsen och ytan. Samtidigt som tunnelströmmen mäts, sveps spetsen över ytan så att man kan få en bild. I ett konventionellt STM ges i det här fallet bilden av skillnader i lokal tillståndstäthet. Enskilda atomer kan avbildas och manipuleras med ett STM.

Fem år senare utvecklades AFM som även kan avbilda icke-ledande material. Grundprincipen är som i ett STM men istället för att kontrollera spetsens svepning med en tunnelström används en noggrann mätning av kraften mellan spets och materialyta. Mätningen kan användas för att ge en topografisk bild av en yta med hög upplösning. Det har utvecklats en hel familj av instrument som baseras på samma grundläggande principer. Ett exempel är ledande AFM där man använder en elektriskt ledande AFM-spets och kan mäta elektriska egenskaper hos en yta samtidigt som spetsen styrs av den uppmätta kraften.

Den här familjen av instrument är nuförtiden standardinstrument inom många områden.

För c:a ett decennium sedan visades att AFM kan användas för att urskilja hur de enskilda atomerna i t ex en pentacenmolekyl sitter ihop, dvs det gick att bestämma den kemiska strukturen [1]. AFM-spetsen funktionaliserades med en enda koloxidmolekyl och förfinade AFM-metoder användes. Genom att använda mikroskopet i ickekontaktmod (NC-AFM) i ultrahögvakuum vid låg temperatur kunde pentacenmolekyler på en kopparyta avbildas. Spetsen sveps med konstant höjd över ytan medan den drevs att oscillera med amplituden 0,2 Å. Kraften mellan spetsens koloxidmolekyl och pentacenmolekylen blir då repulsiv och bilden av frekvensskiftet hos svängningen gav atomär upplösning. Den nya metoden gavs namnet bond imaging technique och används för studier av plana eller nästan plana molekyler som adsorberas på ytor.

Forskarna vid Justus Liebig University Giessen har gjort en enkel modifiering av bondimagingtekniken så att den går att använda på tredimensionella objekt och inte bara på tämligen plana molekyler. Skillnaden är att tunnelströmsmätning mellan koloxidmolekylen på spetsen och ytmolekylen används. Strömmen hålls konstant vid svepning av spetsen så att den följer ytmolekylens topografi. Frekvensskiftet från NC-AFM-mätningen används som tidigare för att ge bilder med submolekylär upplösning. De har lyckats använda tekniken på en radikal av en fenylmolekyl på en silveryta. De imponerande forskningsresultaten är nyligen publicerade i Physical Review Letters [2]. En länk till artikeln finns här (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.196101).

Det spekuleras om att moderna metoder för så kallad multifrekvens-AFM också skulle kunna användas för att få submolekylär upplösning. Det finns säkert anledning att återkomma till det.

Referenser

[1] L. Gross, F. Mohn, N. Moll, P. Liljeroth and G. Meyer, Science 325, 1110 (2009).

[2] D. Martin-Jimenez, S. Ahles, D. Mollenhauer, H. A. Wegner, A. Schmirmeisen and D. Ebeling, Phys. Rev. Lett. 122, 196101 (2019).

Nils Almqvist 
Styrelseledamot Fysikersamfundet