Skaningowa mikroskopia kropek kwantowych - Scanning quantum dot microscopy

Skaningowa mikroskopia kropek kwantowych

Skaning quantum dot microscopy (SQDM) to mikroskopia z sondą skanującą (SPM), która służy do obrazowania rozkładu potencjału elektrycznego na powierzchniach w nanoskali . Metoda określa ilościowo zmiany potencjału powierzchniowego poprzez ich wpływ na potencjał kropki kwantowej (QD) przymocowanej do wierzchołka skanowanej sondy. SQDM pozwala na przykład na oznaczenie ilościowe dipoli powierzchniowych pochodzących z pojedynczych adatomów , cząsteczek lub nanostruktur . Daje to wgląd w mechanizmy powierzchniowe i interfejsowe, takie jak rekonstrukcja lub relaksacja, zniekształcenia mechaniczne, transfer ładunku i interakcje chemiczne . Pomiar rozkładu potencjału elektrycznego jest również istotny dla charakteryzowania organicznych i nieorganicznych urządzeń półprzewodnikowych, które posiadają warstwy dipola elektrycznego na odpowiednich powierzchniach rozdziału . Odległość sondy od powierzchni w SQDM waha się od 2 nm do 10 nm, a zatem umożliwia obrazowanie na powierzchniach niepłaskich lub np. biocząsteczkach o wyraźnej strukturze 3D. Powiązane techniki obrazowania to mikroskopia sił sondy Kelvina (KPFM) i mikroskopia sił elektrostatycznych (EFM).

Zasada działania

W SQDM związek między potencjałem w QD a potencjałem powierzchniowym (wielkość zainteresowania) jest opisany przez problem wartości brzegowych elektrostatyki. Granica jest określona przez powierzchnie próbki i sondy, które zakłada się, że są połączone w nieskończoności. Następnie potencjał punktu QD w może być wyrażony za pomocą formalizmu funkcji Greena jako suma po objętości i całkach powierzchniowych, gdzie oznacza objętość zamkniętą przez i jest normalną powierzchni. ${\displaystyle {\mathcal {S}}}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {QD}} = \ Phi ({\ mathbf {r}})}$${\displaystyle {\mathbf {r}}}$${\displaystyle {\mathcal {V}}}$${\displaystyle {\mathcal {S}}}$${\displaystyle {\mathbf {n}}'}$

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

W tej wypowiedzi, zależy od gęstości ładunku wewnątrz i na potencjale na ważony funkcji Greena ${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {QD}}}$${\ Displaystyle \ rho}$${\displaystyle {\mathcal {V}}}$${\ Displaystyle \ Phi}$${\displaystyle {\mathcal {S}}}$

Zależność między potencjałem QD w r a potencjałem powierzchni w r' jest opisana przez zagadnienie brzegowe elektrostatyki.

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

gdzie spełnia równanie Laplace'a . ${\ Displaystyle F}$

Poprzez określenie, a tym samym zdefiniowanie warunków brzegowych , równania te mogą być wykorzystane do uzyskania zależności między potencjałem powierzchniowym dla bardziej specyficznych sytuacji pomiarowych. Szczegółowo opisano kombinację sondy przewodzącej i powierzchni przewodzącej, sytuację charakteryzującą warunki brzegowe Dirichleta . ${\ Displaystyle F}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {QD}}}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {s}} ({\ mathbf {\ tekst {r}}} '), \ quad {\ mathbf {r}} '\ w {\ mathcal {S}}}$

Koncepcyjnie związek i powiązanie danych w płaszczyźnie obrazowania, uzyskanych przez odczytanie potencjału QD, z danymi na powierzchni obiektu - potencjałem powierzchni. Jeżeli powierzchnia próbki jest aproksymowana jako lokalnie płaska, a relacja między, a zatem translacyjna niezmienna, odzyskiwanie informacji o powierzchni obiektu z informacji o płaszczyźnie obrazowania jest dekonwolucją z funkcją rozproszenia punktu określoną przez problem wartości granicznej. W szczególnym przypadku granicy przewodzącej wzajemne ekranowanie potencjałów powierzchni przez końcówkę i powierzchnię prowadzi do wykładniczego spadku funkcji rozproszenia punktowego. Powoduje to wyjątkowo wysoką rozdzielczość poprzeczną SQDM przy dużych odstępach między końcówką a powierzchnią w porównaniu na przykład z KPFM. ${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {QD}} ({\ mathbf {r}})}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {s}} ({\ mathbf {r}} ')}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {QD}} ({\ mathbf {r}})}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {s}} ({\ mathbf {r}} ')}$

Praktyczna realizacja

Opisano dwie metody uzyskiwania informacji o płaszczyźnie obrazowania, tj. zmiany potencjału QD podczas skanowania sondy nad powierzchnią. W technice kompensacji utrzymywany jest na stałej wartości . Wpływ zmieniających się w bok potencjałów powierzchni jest aktywnie kompensowany przez ciągłe dostosowywanie globalnego potencjału próbki za pomocą zewnętrznego napięcia polaryzacji . jest dobrany tak, aby pasował do dyskretnego przejścia stanu ładunku QD, a odpowiadająca mu zmiana siły sonda-próbka jest wykorzystywana w bezkontaktowej mikroskopii sił atomowych w celu weryfikacji prawidłowej kompensacji. ${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {QD}} ({\ mathbf {r}})}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {QD}}}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {QD}} ^ {0}}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {QD}}}$${\displaystyle V_{\tekst{b}}}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {QD}} ^ {0}}$

W alternatywnej metodzie pionowa składowa pola elektrycznego w pozycji QD jest mapowana przez pomiar przesunięcia energii określonego przejścia optycznego QD, które występuje w wyniku efektu Starka . Ta metoda wymaga dodatkowej konfiguracji optycznej oprócz konfiguracji SPM.

Obraz płaszczyzny obiektu może być interpretowany jako zmiana funkcji pracy , potencjału powierzchniowego lub gęstości dipolowej powierzchni. Równoważność tych wielkości podaje równanie Helmholtza. W ramach interpretacji powierzchniowej gęstości dipolowej dipole powierzchniowe poszczególnych nanostruktur można uzyskać poprzez integrację na wystarczająco dużej powierzchni. ${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {s}} ({\ mathbf {r}} ')}$

Informacje topograficzne z SQDM

W technice kompensacji wpływ globalnego potencjału próbki na zależy od kształtu powierzchni próbki w sposób określony przez odpowiedni problem wartości brzegowych. Na niepłaskiej powierzchni zmiany w nie mogą zatem być jednoznacznie przypisane ani do zmiany potencjału powierzchni, ani do topografii powierzchni, jeśli śledzone jest tylko jedno przejście stanu naładowania. Na przykład występ w powierzchni wpływa na potencjał QD, ponieważ bramkowanie działa wydajniej, jeśli QD jest umieszczony nad występem. Jeśli w technice kompensacji stosuje się dwa przejścia, wkłady topografii powierzchni i potencjału można rozplątać i obie wielkości można uzyskać jednoznacznie. Informacja topograficzna uzyskana za pomocą techniki kompensacji to efektywna topografia dielektryczna o charakterze metalicznym, zdefiniowana przez topografię geometryczną i właściwości dielektryczne powierzchni próbki lub nanostruktury. ${\displaystyle V_{\tekst{b}}}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {QD}}}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {QD}}}$${\displaystyle t_{\tekst{d}}}$${\displaystyle V_{\tekst{b}}}$${\displaystyle t_{\tekst{d}}}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ tekst {s}}}$

Bibliografia

Linki zewnętrzne

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