Escaneo de microscopía de puntos cuánticos

Microscopía de escaneo de puntos cuánticos

La microscopía de exploración de puntos cuánticos (SQDM) es una microscopía de sonda de exploración (SPM) que se utiliza para obtener imágenes de distribuciones de potencial eléctrico a nanoescala en superficies. ^{[1] [2] [3] [4]} El método cuantifica las variaciones de potencial de superficie a través de su influencia en el potencial de un punto cuántico (QD) unido al vértice de la sonda escaneada. SQDM permite, por ejemplo, la cuantificación de dipolos de superficie que se originan a partir de adatoms , moléculas o nanoestructuras individuales . Esto brinda información sobre los mecanismos de superficie e interfaz, como la reconstrucción o relajación, la distorsión mecánica, la transferencia de carga.e interacción química . La medición de las distribuciones de potencial eléctrico también es relevante para caracterizar dispositivos semiconductores orgánicos e inorgánicos que presentan capas de dipolos eléctricos en las interfaces relevantes . La distancia entre la sonda y la superficie en SQDM varía de 2 nm ^{[1] [3]} a 10 nm ^[2] y, por lo tanto, permite obtener imágenes en superficies no planas o, por ejemplo, de biomoléculas con una estructura 3D distinta. Las técnicas de imagen relacionadas son la microscopía de fuerza de sonda Kelvin (KPFM) y la microscopía de fuerza electrostática (EFM).

Principio de funcionamiento

En SQDM, la relación entre el potencial en el QD y el potencial de superficie (la cantidad de interés) se describe mediante un problema de valor límite de la electrostática. El límite viene dado por las superficies de la muestra y la sonda que se supone que están conectadas al infinito. Entonces, el potencial de un QD puntual en se puede expresar usando el formalismo de la función de Green como una suma sobre el volumen y las integrales de superficie, ^[5] donde denota el volumen encerrado por y es la superficie normal.${\displaystyle {\mathcal {S}}}$${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}=\Phi ({\mathbf {r}})}$${\displaystyle {\mathbf {r}}}$${\displaystyle {\mathcal {V}}}$${\displaystyle {\mathcal {S}}}$${\displaystyle {\mathbf {n}}'}$

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

En esta expresión, depende de la densidad de carga en el interior y en el potencial de pondera por la función de Green ${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}}$${\displaystyle \rho }$${\displaystyle {\mathcal {V}}}$${\displaystyle \Phi }$${\displaystyle {\mathcal {S}}}$

La relación entre el potencial QD en r y el potencial de superficie en r ' se describe mediante un problema de valor límite de la electrostática.

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

donde satisface la ecuación de Laplace .${\displaystyle F}$

Al especificar y así definir las condiciones de contorno , estas ecuaciones se pueden utilizar para obtener la relación entre y el potencial de superficie para situaciones de medición más específicas. Se ha descrito en detalle la combinación de una sonda conductora y una superficie conductora, una situación caracterizada por las condiciones de contorno de Dirichlet . ^[4]${\displaystyle F}$${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}}$${\displaystyle \Phi _{\text{s}}({\mathbf {\text{r}}}'),\quad {\mathbf {r}}'\in {\mathcal {S}}}$

Conceptualmente, la relación entre y vincula los datos en el plano de imagen, obtenidos mediante la lectura del potencial QD, con los datos de la superficie del objeto: el potencial de la superficie. Si la superficie de la muestra se aproxima como localmente plana y la relación entre y, por lo tanto, translacionalmente invariante, la recuperación de la información de la superficie del objeto a partir de la información del plano de formación de imágenes es una deconvolución con una función de dispersión de puntos definida por el problema del valor límite. En el caso específico de un límite conductor, el apantallamiento mutuo de los potenciales de superficie por punta y superficie conduce a una caída exponencial de la función de dispersión de puntos. ^{[4] [6]}${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}({\mathbf {r}})}$${\displaystyle \Phi _{\text{s}}({\mathbf {r}}')}$${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}({\mathbf {r}})}$${\displaystyle \Phi _{\text{s}}({\mathbf {r}}')}$Esto provoca la resolución lateral excepcionalmente alta de SQDM en grandes separaciones de la superficie de la punta en comparación con, por ejemplo, KPFM. ^[3]

Implementación práctica

Se ha informado de dos métodos para obtener la información del plano de formación de imágenes, es decir, las variaciones en el potencial QD cuando la sonda se escanea sobre la superficie. En la técnica de compensación, se mantiene a un valor constante . La influencia de los potenciales de superficie que varían lateralmente se compensa activamente ajustando continuamente el potencial de muestra global a través de un voltaje de polarización externo . ^{[1] [7]} se elige de manera que coincida con una transición discreta del estado de carga QD y el cambio correspondiente en la fuerza de la sonda-muestra se utiliza en microscopía de fuerza atómica sin contacto ^{[8] [9]} para verificar una compensación correcta.${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}({\mathbf {r}})}$${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}}$${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}^{0}}$${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}}$${\displaystyle V_{\text{b}}}$ ${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}^{0}}$

En un método alternativo, la componente vertical del campo eléctrico en la posición QD se mapea midiendo el desplazamiento de energía de una transición óptica específica del QD ^{[2] [10]} que se produce debido al efecto Stark . Este método requiere una configuración óptica adicional además de la configuración de SPM.

La imagen del plano del objeto se puede interpretar como una variación de la función de trabajo , el potencial de superficie o la densidad del dipolo de superficie. La equivalencia de estas cantidades viene dada por la ecuación de Helmholtz. Dentro de la interpretación de la densidad del dipolo de superficie, se pueden obtener dipolos de superficie de nanoestructuras individuales mediante la integración en un área de superficie suficientemente grande.${\displaystyle \Phi _{\text{s}}({\mathbf {r}}')}$

Información topográfica de SQDM

En la técnica de compensación, la influencia del potencial muestra global en depende de la forma de la superficie de la muestra de una manera que se define por el correspondiente problema de contorno. En una superficie no plana, los cambios en , por lo tanto, no se pueden asignar únicamente a un cambio en el potencial de la superficie o en la topografía de la superficie si solo se rastrea una única transición de estado de carga. Por ejemplo, una protuberancia en la superficie afecta el potencial de QD ya que la compuerta funciona de manera más eficiente si la QD se coloca por encima de la protuberancia. Si se utilizan dos transiciones en la técnica de compensación, las contribuciones de la topografía de la superficie y el potencial${\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}}}$pueden desenredarse y ambas cantidades pueden obtenerse sin ambigüedades. La información topográfica obtenida mediante la técnica de compensación es una topografía dieléctrica eficaz de naturaleza metálica que se define por la topografía geométrica y las propiedades dieléctricas de la superficie de la muestra o de una nanoestructura.

Referencias

1. Wagner, cristiano; Green, Matthew FB; Leinen, Philipp; Deilmann, Thorsten; Krüger, Peter; Rohlfing, Michael; Temirov, Ruslan; Tautz, F. Stefan (6 de julio de 2015). "Microscopía de puntos cuánticos de barrido". Cartas de revisión física . 115 (2): 026101. arXiv : 1503.07738 . Código bibliográfico : 2015PhRvL.115b6101W . doi : 10.1103 / PhysRevLett.115.026101 . ISSN  0031-9007 . PMID  26207484 .
2. Cadeddu, D .; Munsch, M .; Rossi, N .; Gérard, J.-M .; Claudon, J .; Warburton, RJ; Poggio, M. (29 de septiembre de 2017). "Detección de campo eléctrico con un punto cuántico acoplado a fibra de escaneo". Revisión física aplicada . 8 (3): 031002. arXiv : 1705.03358 . Código bibliográfico : 2017PhRvP ... 8c1002C . doi : 10.1103 / PhysRevApplied.8.031002 . ISSN 2331-7019 . 
3. Wagner, cristiano; Green, Matthew. PENSIÓN COMPLETA; Maiworm, Michael; Leinen, Philipp; Esat, Taner; Ferri, Nicola; Friedrich, Niklas; Findeisen, Rolf; Tkatchenko, Alexandre; Temirov, Ruslan; Tautz, F. Stefan (agosto de 2019). "Imagen cuantitativa de potenciales eléctricos superficiales con sensibilidad de un solo átomo" . Materiales de la naturaleza . 18 (8): 853–859. Código Bibliográfico : 2019NatMa..18..853W . doi : 10.1038 / s41563-019-0382-8 . ISSN 1476-1122 . PMC 6656579 . PMID 31182779 .   
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5. Jackson, John David (1999). Electrodinámica clásica . Nueva York: Wiley. ISBN 978-0471309321.
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enlaces externos

• 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