Scanning af kvantepunktmikroskopi - Scanning quantum dot microscopy

Scanning af kvantepriksmikroskopi

Scanning quantum dot microscopy (SQDM) er en scanningssondemikroskopi (SPM), der bruges til at afbilde nanoskala elektriske potentialefordelinger på overflader. Metoden kvantificerer overfladepotentialevariationer via deres indflydelse på potentialet for en kvanteprik (QD), der er fastgjort til toppen af ​​den scannede probe. SQDM tillader for eksempel kvantificering af overfladedipoler, der stammer fra individuelle adatomer , molekyler eller nanostrukturer . Dette giver indsigt i overflade- og grænseflademekanismer såsom rekonstruktion eller afslapning, mekanisk forvrængning, ladningsoverførsel og kemisk interaktion . Måling af elektriske potentialfordelinger er også relevant til karakterisering af organiske og uorganiske halvlederindretninger, der har elektriske dipollag ved de relevante grænseflader . Sonden til overfladeafstand i SQDM spænder fra 2 nm til 10 nm og tillader derfor billeddannelse på ikke-plane overflader eller f.eks. Af biomolekyler med en tydelig 3D-struktur. Relaterede billeddannelsesteknikker er Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) og Electrostatic Force Microscopy (EFM).

Arbejdsprincip

I SQDM er forholdet mellem potentialet ved QD og overfladepotentialet (mængden af ​​interesse) beskrevet af et grænseværdiproblem med elektrostatik. Grænsen er givet af overfladerne på prøve og probe, der antages at være forbundet ved uendelig. Derefter kan potentialet for en punktlignende QD at udtrykkes ved hjælp af Green's funktion formalisme som en sum over volumen og overfladeintegraler, hvor betegner volumenet omgivet af og er overfladens normale. ${\ displaystyle {\ mathcal {S}}}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}} = \ Phi ({\ mathbf {r}})}$${\ displaystyle {\ mathbf {r}}}$${\ displaystyle {\ mathcal {V}}}$${\ displaystyle {\ mathcal {S}}}$${\ displaystyle {\ mathbf {n}} '}$

${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}} = \ Phi ({\ mathbf {r}}) = \ iiint \ limits _ {\ mathcal {V}} G ({\ mathbf {r}}, {\ mathbf {r}} ') {\ frac {\ rho ({\ mathbf {r}}')} {e}} d ^ {3} {\ mathbf {r}} '+ {\ frac {\ epsilon _ { 0}} {e}} \ oint \ limits _ {\ mathcal {S}} {\ bigg [} G ({\ mathbf {r}}, {\ mathbf {r}} ') {\ frac {\ partial \ Phi ({\ mathbf {r}} ')} {\ partial {\ mathbf {n}}'}} - \ Phi ({\ mathbf {r}} ') {\ frac {\ partial G ({\ mathbf { r}}, {\ mathbf {r}} ')} {\ partial {\ mathbf {n}}'}} {\ bigg]} d ^ {2} {\ mathbf {r}} '.}$

I dette udtryk afhænger af ladningstætheden indeni og af potentialet på vægtet af Green's funktion ${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}}}$${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle {\ mathcal {V}}}$${\ displaystyle \ Phi}$${\ displaystyle {\ mathcal {S}}}$

Forholdet mellem QD-potentialet ved r og overfladepotentialet ved r ' er beskrevet af et grænseværdiproblem med elektrostatik.

${\ displaystyle G ({\ mathbf {r}}, {\ mathbf {r}} ') = {\ frac {e} {4 \ pi \ epsilon _ {0} | {\ mathbf {r}} - {\ mathbf {r}} '|}} + F ({\ mathbf {r}}, {\ mathbf {r}}')}$,

hvor opfylder Laplace ligningen . ${\ displaystyle F}$

Ved at specificere og således definere randbetingelserne kan disse ligninger bruges til at opnå forholdet mellem og overfladepotentialet til mere specifikke målesituationer. Kombinationen af ​​en ledende sonde og en ledende overflade, en situation præget af Dirichlet-grænseforhold , er blevet beskrevet detaljeret. ${\ displaystyle F}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}}}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {s}} ({\ mathbf {\ text {r}}} '), \ quad {\ mathbf {r}}' \ i {\ mathcal {S}}}$

Konceptuelt er forholdet mellem og forbinder data i billeddannelsesplanet, opnået ved at læse QD-potentialet ud, til data i objektets overflade - overfladepotentialet. Hvis prøveoverfladen tilnærmes som lokal flad, og forholdet mellem og derfor translationelt invariant, er gendannelsen af ​​objektets overfladeinformation fra billedplanplaninformationen en deconvolution med en punktspredningsfunktion defineret af grænseværdiproblemet. I det specifikke tilfælde af en ledende grænse fører den gensidige screening af overfladepotentialer ved spids og overflade til et eksponentielt drop-off af punktspredningsfunktionen. Dette forårsager den usædvanligt høje laterale opløsning af SQDM ved store spids-overfladeseparationer sammenlignet med for eksempel KPFM. ${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}} ({\ mathbf {r}})}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {s}} ({\ mathbf {r}} ')}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}} ({\ mathbf {r}})}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {s}} ({\ mathbf {r}} ')}$

Praktisk implementering

To metoder er blevet rapporteret til at opnå billeddannelsesplaninformationen, dvs. variationerne i QD-potentialet, når sonden scannes over overfladen. I kompensationsteknikken holdes den til en konstant værdi . Indflydelsen af ​​de lateralt varierende overfladepotentialer på kompenseres aktivt ved kontinuerligt at justere det globale prøvepotentiale via en ekstern forspænding . er valgt således, at den matcher en diskret overgang af QD-ladningstilstanden, og den tilsvarende ændring i probe-prøvekraft anvendes i ikke-kontakt atomkraftmikroskopi for at verificere en korrekt kompensation. ${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}} ({\ mathbf {r}})}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}}}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}} ^ {0}}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}}}$${\ displaystyle V _ {\ text {b}}}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}} ^ {0}}$

I en alternativ metode kortlægges den lodrette komponent i det elektriske felt i QD-positionen ved at måle energiforskydningen af ​​en bestemt optisk overgang af QD, der opstår på grund af Stark-effekten . Denne metode kræver en ekstra optisk opsætning ud over SPM-opsætningen.

Objektplanbilledet kan fortolkes som en variation af arbejdsfunktionen , overfladepotentialet eller overfladedipoldensiteten. Ækvivalensen af ​​disse størrelser er angivet af Helmholtz-ligningen. Inden for fortolkningen af ​​overfladedipoldensitet kan overfladedipoler af individuelle nanostrukturer opnås ved integration over et tilstrækkeligt stort overfladeareal. ${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {s}} ({\ mathbf {r}} ')}$

Topografisk information fra SQDM

I kompensationsteknik, påvirkning af det globale prøve potentiale på afhænger af formen af prøveoverfladen på en måde, der er defineret af den tilsvarende randværdiproblem. På en ikke-plan overflade kan ændringer i derfor ikke entydigt tildeles hverken en ændring i overfladepotentiale eller i overfladetopografi, hvis kun en enkelt ladningstilstandsovergang spores. For eksempel påvirker et fremspring i overfladen QD-potentialet, da gaten fungerer mere effektivt, hvis QD er placeret over fremspringet. Hvis der anvendes to overgange i kompenseringsteknikken, kan bidrag fra overfladetopografi og potentiale skilles fra hinanden, og begge størrelser kan opnås utvetydigt. Den topografiske information opnået via kompensationsteknikken er en effektiv dielektrisk topografi af metallisk art, der er defineret af den geometriske topografi og dielektriske egenskaber af prøveoverfladen eller af en nanostruktur. ${\ displaystyle V _ {\ text {b}}}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}}}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}}}$${\ displaystyle t _ {\ text {d}}}$${\ displaystyle V _ {\ text {b}}}$${\ displaystyle t _ {\ text {d}}}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {s}}}$

Referencer

eksterne links

• https://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-3/DA/Groups/LTSTM/Research/SQDM.html
• https://poggiolab.unibas.ch/research/Scanning%20Quantum%20Dot%20Microscopy/
• http://momalab.org/index.php/?action=devices