液体中の2D原子結晶上の原子のイメージング
Peter Nirmalraj C 60 を使用して2D層状材料の特性を調査します Binnig and Rohrer NanotechnologyCenterのノイズフリーラボにある機能化された金属STMプローブ。 （出典：Marcel Begert、IBM Research–チューリッヒ）
IBMノーベル賞受賞者のGerdBinnigとHeinrichRohrerが走査型トンネル顕微鏡（STM）を発明してから35年以上が経ち、チューリッヒのIBM科学者は、原子ごとのイメージングと計測の分野で新たなブレークスルーを達成しました。しかし、今回は液体です。
Limerick大学、ÉcolePolytechniqueFédéraledeLausanne、マサチューセッツ大学アマースト校の科学者と協力して、IBMの科学者Peter Nirmalraj、Bernd Gotsmann、Heike Rielは、堅牢な分子STMプローブの動作を設計し、成功裏に実証しました。新たな2D層状物質を分析するための、室温での液体エコシステム。
この作品は、初めての技術的成果です。以前は、有機分子や2D材料などの低次元材料のイメージングは、超高真空（UHV）の下で、多くの場合極低温条件下で、壮大な空間分解能の分子STMプローブを使用して実現されていました。
本日 Nature Communications に掲載された、「液体中のオングストロームスケール分析のための堅牢な分子プローブ」というタイトルの論文 、調査とその調査結果の概要を説明します。
分子表面科学と液体中の走査型プローブ顕微鏡を専門とするピーターに、彼の研究について詳しく話を聞きました。
プローブの設計のどの要素が、論文で達成した高解像度を可能にしましたか？
ピーターニルマルライ： 機能化されていない金のSTMプローブを使用することから、STMプローブの頂点を単一のカーボン-60（C 60 ）で化学的に終端することになりました。 ）分子。プローブの頂点の反応性を低下させ、調査中の材料の空間情報量を高めることができます。これまで、2D材料の原子ごとの情報におけるこのレベルの制御と範囲は、室温の液体で達成するのは簡単ではありませんでした。
一般的なUHVや極低温条件下ではなく、標準的な実験室条件下でのイメージングに特有な点は何ですか？
PN： 主な課題は、プローブの先端の頂点にある単一分子の安定性にあります。倒立した山を想像して、その頂上に桜を置きます—それが私たちが懸念している規模です。極低温条件下では、変動が最小限であるため、接触ははるかに安定しますが、室温では、分子はエネルギー的かつ動的にアクティブになります。これにより、分子STMプローブ複合体が不安定になる傾向があります。ここでは、室温での繊細なプローブが高密度液体で安定化できることを示します。これにより、STM金属プローブの頂点の周りに固定された分子の動きを最小限に抑えることができます。
左から右へ：フラーレンで終端された金のSTMプローブ。グラフェン格子内の炭素原子サイトを示す単層グラフェンの単一原子六角形。原子種を選択的に分析できる2D二硫化モリブデンの原子構造。
世界経済フォーラムは、2D材料を2016年の新興技術のトップ10の1つに挙げました。この文脈で、液体中の2D材料の原子ごとのイメージングを実行できる高解像度の重要性は何ですか？
PN： このような刺激的な材料に基づく堅牢なデバイスを実現するには、実際の条件下で採掘された2D材料の特性をよりよく理解することが重要になります。 2D材料の周囲の互換性、環境の堅牢性、および電子特性に関する正確な知識は、2D材料に基づく薄膜トランジスタや透明で柔軟な電子デバイスなどのデバイスのメーカーにとって大きなメリットになります。
「当社の技術により、急速に成長している2Dマテリアルのボディの構造的および電子的なフィンガープリントをより高速かつ信頼性の高いものにすることができます。」
—IBMResearchの科学者であるPeterNirmalraj
これらの材料の特性評価をスケールアップする際に、実験的に困難な条件下でこれまでに可能な最高の解像度を組み合わせることに成功しました。このギャップを埋めることは、情報に大きな価値をもたらし、2D材料ベースのデバイスエンジニアリングに直接的な影響を及ぼします。
液固界面でのイメージングを進めるには、次にどのような手順を踏む必要がありますか？
PN： 次のテストは、この手法を適用して、分子以下の分解能で単一分子元素を分解することです。実験的および理論的観点の両方から、包囲する液体媒体の存在下での分子と先端の間の結合メカニズム、および空間コントラストの観察された改善を調査することによる分子の電子的および構造的影響についてより深く理解する必要があります。
作者について： Millian Gehrerは、IBM Research –チューリッヒのサマーインターンであり、科学者にインタビューして、彼らの仕事と動機について詳しく学んでいます。秋には、プリンストン大学の学部生としてコンピュータサイエンスの勉強を始めます。
ナノマテリアル