Taramalı kuantum nokta mikroskobu - Scanning quantum dot microscopy

Taramalı Kuantum Nokta Mikroskobu

Taramalı kuantum nokta mikroskobu (SQDM), yüzeyler üzerindeki nano ölçekli elektrik potansiyeli dağılımlarını görüntülemek için kullanılan bir taramalı prob mikroskobudur (SPM) . Yöntem , taranan probun tepesine eklenmiş bir kuantum noktasının (QD) potansiyeli üzerindeki etkileri aracılığıyla yüzey potansiyeli varyasyonlarını nicelleştirir . SQDM, örneğin, tek tek adatomlardan , moleküllerden veya nanoyapılardan kaynaklanan yüzey dipollerinin nicelleştirilmesine izin verir . Bu, yeniden yapılandırma veya gevşeme, mekanik bozulma, yük transferi ve kimyasal etkileşim gibi yüzey ve arayüz mekanizmaları hakkında fikir verir . Elektrik potansiyeli dağılımlarının ölçülmesi , ilgili arayüzlerde elektrik dipol katmanlarına sahip organik ve inorganik yarı iletken cihazları karakterize etmek için de önemlidir . SQDM'de sonda ile yüzey arasındaki mesafe 2 nm ila 10 nm arasındadır ve bu nedenle düzlemsel olmayan yüzeylerde veya örneğin farklı bir 3D yapıya sahip biyomoleküllerin görüntülenmesine izin verir . İlgili görüntüleme teknikleri Kelvin Prob Kuvvet Mikroskobu (KPFM) ve Elektrostatik Kuvvet Mikroskobu (EFM)'dir.

Çalışma prensibi

SQDM'de, QD'deki potansiyel ile yüzey potansiyeli (ilgilenen miktar) arasındaki ilişki , elektrostatik sınır değer problemi ile tanımlanır . Sınır , sonsuzda bağlı olduğu varsayılan numune ve probun yüzeyleri tarafından verilir. Daha sonra, nokta benzeri bir QD'nin potansiyeli , Green'in hacim ve yüzey integrallerinin toplamı olarak fonksiyon formalizmi kullanılarak ifade edilebilir , burada hacmin çevrelediği ve yüzey normali gösterilir. ${\görüntüleme stili {\matematiksel {S}}}$${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}=\Phi ({\mathbf {r}})}$${\görüntüleme stili {\mathbf {r}}}$${\görüntüleme stili {\matematiksel {V}}}$${\görüntüleme stili {\matematiksel {S}}}$${\displaystyle {\mathbf {n}}'}$

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

Bu ifadede, yük yoğunluğuna bağlıdır iç ve potansiyeli üzerinde Green işlevi tarafından ağırlıklı ${\displaystyle \Phi _{\metin{QD}}}$${\görüntüleme stili \rho }$${\görüntüleme stili {\matematiksel {V}}}$${\görüntüleme stili\Phi }$${\görüntüleme stili {\matematiksel {S}}}$

En QD potansiyeli arasındaki ilişki, r ve yüzey potansiyel r' elektrostatik bir sınır değer bir sorun ile tarif edilir.

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

nerede tatmin Laplace denklemi . ${\görüntüleme stili F}$

Sınır koşullarını belirleyerek ve böylece tanımlayarak , bu denklemler daha spesifik ölçüm durumları için yüzey potansiyeli ile arasındaki ilişkiyi elde etmek için kullanılabilir . Dirichlet sınır koşulları ile karakterize edilen bir durum olan iletken bir sonda ve bir iletken yüzeyin kombinasyonu ayrıntılı olarak açıklanmıştır. ${\görüntüleme stili F}$${\displaystyle \Phi _{\metin{QD}}}$${\displaystyle \Phi _{\text{s}}({\mathbf {\text{r}}}'),\quad {\mathbf {r}}'\in {\mathcal {S}}}$

Kavramsal olarak, QD potansiyelinin okunmasıyla elde edilen görüntüleme düzlemindeki veriler arasındaki ilişki ve bunları nesne yüzeyindeki verilere bağlar - yüzey potansiyeli. Numune yüzeyi yerel olarak düz olarak yaklaşılırsa ve arasındaki ilişki ve dolayısıyla öteleme açısından değişmezse, nesne yüzeyi bilgisinin görüntüleme düzlemi bilgisinden kurtarılması, sınır değer problemi tarafından tanımlanan bir nokta yayılma fonksiyonu ile bir ters evrişimdir. İletken bir sınırın özel durumunda, uç ve yüzey tarafından yüzey potansiyellerinin karşılıklı olarak taranması, nokta yayılma fonksiyonunun üstel bir şekilde düşmesine yol açar. Bu, örneğin KPFM'ye kıyasla büyük uç-yüzey ayrımlarında SQDM'nin olağanüstü yüksek yanal çözünürlüğüne neden olur. ${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}({\mathbf {r}})}$${\displaystyle \Phi _{\text{s}}({\mathbf {r}}')}$${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}({\mathbf {r}})}$${\displaystyle \Phi _{\text{s}}({\mathbf {r}}')}$

Pratik uygulama

Görüntüleme düzlemi bilgilerini elde etmek için iki yöntem rapor edilmiştir, yani prob yüzey üzerinde taranırken QD potansiyelindeki değişimler . Kompanzasyon tekniğinde ise sabit bir değerde tutulur . Yanal olarak değişen yüzey potansiyellerinin üzerindeki etkisi, harici bir öngerilim voltajı aracılığıyla global numune potansiyeli sürekli olarak ayarlanarak aktif olarak telafi edilir . QD şarj durumunun ayrı bir geçişiyle eşleşecek şekilde seçilir ve prob-numune kuvvetindeki karşılık gelen değişiklik, doğru bir telafiyi doğrulamak için temassız atomik kuvvet mikroskobunda kullanılır . ${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}({\mathbf {r}})}$${\displaystyle \Phi _{\metin{QD}}}$${\displaystyle \Phi _{\metin{QD}}^{0}}$${\displaystyle \Phi _{\metin{QD}}}$${\displaystyle V_{\metin{b}}}$${\displaystyle \Phi _{\metin{QD}}^{0}}$

Alternatif bir yöntemde, QD konumundaki elektrik alanının dikey bileşeni , Stark etkisi nedeniyle oluşan QD'nin belirli bir optik geçişinin enerji kayması ölçülerek haritalanır . Bu yöntem, SPM kurulumuna ek olarak ek bir optik kurulum gerektirir.

Nesne düzlem görüntüsü , iş fonksiyonunun , yüzey potansiyelinin veya yüzey dipol yoğunluğunun bir varyasyonu olarak yorumlanabilir . Bu niceliklerin denkliği Helmholtz denklemi ile verilir. Yüzey dipol yoğunluğu yorumunda, yeterince geniş bir yüzey alanı üzerinde entegrasyon ile ayrı ayrı nanoyapıların yüzey dipolleri elde edilebilir. ${\displaystyle \Phi _{\text{s}}({\mathbf {r}}')}$

SQDM'den topografik bilgiler

Dengeleme tekniğinde, genel numune potansiyel etkisi ile gelen sınır değer sorun tarafından tanımlanan bir şekilde numune yüzeyinin şekline bağlıdır. Düzlemsel olmayan bir yüzeyde, bu nedenle , yalnızca tek bir yük durumu geçişi izleniyorsa , yüzey potansiyelindeki veya yüzey topografyasındaki bir değişikliğe benzersiz bir şekilde atanamaz . Örneğin, yüzeydeki bir çıkıntı , QD çıkıntının üzerine yerleştirilirse geçitleme daha verimli çalıştığından QD potansiyelini etkiler . Dengeleme tekniğinde iki geçiş kullanılırsa, yüzey topografyası ve potansiyelin katkıları çözülebilir ve her iki miktar da açık bir şekilde elde edilebilir. Kompanzasyon tekniği ile elde edilen topografik bilgi , numune yüzeyinin veya bir nano yapının geometrik topografyası ve dielektrik özellikleri ile tanımlanan metalik doğanın etkili bir dielektrik topografisidir . ${\displaystyle V_{\metin{b}}}$${\displaystyle \Phi _{\metin{QD}}}$${\displaystyle \Phi _{\metin{QD}}}$${\displaystyle t_{\metin{d}}}$${\displaystyle V_{\metin{b}}}$${\displaystyle t_{\metin{d}}}$${\displaystyle \Phi _{\metin{s}}}$

Referanslar

Dış bağlantılar

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