IBMが新境地を開く：室温液相下での2D材料初の原子分解能イメージング

ノーベル賞受賞者Gerd BinnigとHeinrich Rohrerが走査トンネル顕微鏡を発明してから35年以上、IBMチューリッヒの科学者たちが原子分解能イメージングでまた一つのマイルストーンを達成しました—今回は液体環境下で。

リムリック大学、ローザンヌ連邦工科大学、マサチューセッツ大学アマースト校の研究者たちと共同で、IBMチームのPeter Nirmalraj、Bernd Gotsmann、Heike Rielは、室温液相下で動作する堅牢な分子STMプローブを設計・実証し、新興の二次元積層材料の解析を可能にしました。

これは、超高真空（UHV）または極低温環境に限られていたÅngströmスケール分解能を持つ分子STMプローブが、標準実験室条件下の液体媒質で初めて成功裏に使用された事例です。

成果は「液体中でのÅngströmスケール分析のための堅牢な分子プローブ」と題された論文として、本日Nature Communicationsに掲載されました。

分子表面科学と液相走査プローブ顕微鏡の専門家であるPeterに、このブレイクスルーについて話を聞きました。

プローブ設計のどの要素が高分解能を可能にしたか？

Peter Nirmalraj： 非機能化金STMプローブから、チップを単一C₆₀分子で化学的に終端するよう変更しました。これにより先端反応性を低減し、材料から得られる空間情報を豊かにしました。室温液相下でこのような原子レベル制御を達成することは大きな挑戦でした。

標準実験室条件下でのイメージング、一般的なUHVおよび極低温条件との違いは？

PN： 核心的難題は、チップ先端の単一分子の安定性維持にあります。チェリーを頂いた逆さ山を想像してください—このスケールが求められる感度を捉えています。極低温では揺らぎが抑制されますが、室温では分子がエネルギー的・動的に活性のままであり、不安定化を招きます。我々の成果は、繊細なプローブが高密度液体中で、アンカー分子の運動を減衰させることで安定化できることを示しました。

世界経済フォーラムが2D材料を2016年のトップ10新興技術の一つに選定したとき、現実的環境下で原子分解能プローブができることがますます重要になりました。周囲環境適合性、環境耐性、電子特性の正確な知識は、薄膜トランジスタ、透明・フレキシブルエレクトロニクスのメーカーにとって不可欠です。

「我々の技術は、急速に増大する2D材料群の、より高速で信頼性の高い構造的・電子的フィンガープリンティングを可能にします。」

—Peter Nirmalraj、IBMリサーチ科学者

最高到達分解能と実験的に困難な条件を組み合わせることで、2D材料ベースデバイスエンジニアリングに直結する貴重な情報を解き放ちます。

液-固界面でのイメージングを前進させるための次のステップは？

PN： 次のマイルストーンは、単一分子要素をサブ分子分解能で分解することです。実験的・理論的に、チップアンカー分子と周囲液体の結合メカニズムの理解を深め、分子の電子的・構造的影響が空間コントラストをどう高めるかを評価する必要があります。

著者について： Millian GehrerはIBMリサーチ・チューリッヒのサマーインターンで、科学者たちにインタビューし彼らの仕事と動機を学んでいます。秋にはプリンストン大学でコンピュータサイエンスの学部生として学び始めます。