Сканирующая квантовая точечная микроскопия - Scanning quantum dot microscopy

Сканирующая квантовая микроскопия

Сканирующая квантовая точечная микроскопия (SQDM) - это сканирующая зондовая микроскопия (SPM), которая используется для изображения наноразмерных распределений электрического потенциала на поверхностях. Метод позволяет количественно оценить вариации поверхностного потенциала по их влиянию на потенциал квантовой точки (КТ), прикрепленной к вершине сканируемого зонда. SQDM позволяет, например, количественно определять поверхностные диполи, происходящие от отдельных адатомов , молекул или наноструктур . Это дает представление о механизмах поверхности и интерфейса, таких как реконструкция или релаксация, механическое искажение, перенос заряда и химическое взаимодействие . Измерение распределения электрического потенциала также важно для характеристики органических и неорганических полупроводниковых устройств, которые имеют электрические дипольные слои на соответствующих границах раздела . Расстояние между зондом и поверхностью в SQDM составляет от 2 до 10 нм, что позволяет получать изображения неплоских поверхностей или, например, биомолекул с отчетливой трехмерной структурой. Связанные методы визуализации - это зондовая силовая микроскопия Кельвина (KPFM) и электростатическая силовая микроскопия (EFM).

Принцип работы

В SQDM связь между потенциалом на КТ и поверхностным потенциалом (представляющей интерес величиной) описывается краевой задачей электростатики. Граница задается поверхностями образца и зонда, которые считаются соединенными на бесконечности. Тогда потенциал точечной КТ при можно выразить, используя формализм функций Грина, как сумму по объему и интегралам поверхности, где обозначает объем, заключенный в, и является нормалью к поверхности. ${\ Displaystyle {\ mathcal {S}}}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ текст {QD}} = \ Phi ({\ mathbf {r}})}$${\ displaystyle {\ mathbf {r}}}$${\ Displaystyle {\ mathcal {V}}}$${\ Displaystyle {\ mathcal {S}}}$${\ displaystyle {\ mathbf {n}} '}$

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

В этом выражении, зависит от плотности заряда внутри и на потенциал на взвешенных по функции Грина ${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}}}$${\ displaystyle \ rho}$${\ Displaystyle {\ mathcal {V}}}$${\ displaystyle \ Phi}$${\ Displaystyle {\ mathcal {S}}}$

Связь между потенциалом КТ при r и поверхностным потенциалом при r ' описывается краевой задачей электростатики.

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

где удовлетворяет уравнению Лапласа . ${\ displaystyle F}$

Задавая и таким образом определяя граничные условия , эти уравнения можно использовать для получения связи между потенциалом поверхности и поверхностным потенциалом для более конкретных ситуаций измерения. Комбинация проводящего зонда и проводящей поверхности, ситуация, характеризующаяся граничными условиями Дирихле , была описана подробно. ${\ displaystyle F}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}}}$${\ displaystyle \ Phi _ {\ text {s}} ({\ mathbf {\ text {r}}} '), \ quad {\ mathbf {r}}' \ in {\ mathcal {S}}}$

Концептуально связь между и связывает данные в плоскости изображения, полученные путем считывания потенциала КТ, с данными на поверхности объекта - поверхностным потенциалом. Если поверхность образца аппроксимируется как локально плоская и связь между ними и, следовательно, трансляционно инвариантна, восстановление информации о поверхности объекта из информации о плоскости изображения представляет собой деконволюцию с функцией рассеяния точки, определяемой краевой задачей. В конкретном случае проводящей границы взаимное экранирование поверхностных потенциалов иглой и поверхностью приводит к экспоненциальному спаду функции рассеяния точки. Это приводит к исключительно высокому латеральному разрешению SQDM при больших расстояниях между зондом и поверхностью по сравнению, например, с KPFM. ${\ Displaystyle \ Phi _ {\ текст {QD}} ({\ mathbf {r}})}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ текст {s}} ({\ mathbf {r}} ')}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ текст {QD}} ({\ mathbf {r}})}$${\ Displaystyle \ Phi _ {\ текст {s}} ({\ mathbf {r}} ')}$

Практическая реализация

Сообщалось о двух методах получения информации о плоскости изображения, т. Е. Об изменениях потенциала КТ при сканировании зондом по поверхности. В методе компенсации поддерживается постоянное значение . Влияние изменяющихся в поперечном направлении поверхностных потенциалов на активно компенсируется путем непрерывной регулировки общего потенциала образца с помощью внешнего напряжения смещения . выбирается таким образом, чтобы он соответствовал дискретному переходу зарядового состояния КТ, и соответствующее изменение силы зонд-образец используется в бесконтактной атомно-силовой микроскопии для проверки правильности компенсации. ${\ Displaystyle \ Phi _ {\ текст {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}}$

В альтернативном методе вертикальная составляющая электрического поля в положении КТ отображается путем измерения сдвига энергии определенного оптического перехода КТ, который происходит из-за эффекта Штарка . Этот метод требует дополнительной оптической настройки в дополнение к настройке SPM.

Изображение плоскости объекта можно интерпретировать как изменение работы выхода , поверхностного потенциала или поверхностной дипольной плотности. Эквивалентность этих величин дается уравнением Гельмгольца. В рамках интерпретации поверхностной дипольной плотности поверхностные диполи отдельных наноструктур могут быть получены интегрированием по достаточно большой площади поверхности. ${\ Displaystyle \ Phi _ {\ текст {s}} ({\ mathbf {r}} ')}$

Топографическая информация из SQDM

В технике компенсации, влияние глобального образца потенциала на зависит от формы поверхности образца таким образом , что определяется с помощью соответствующей краевой задачи. На неплоской поверхности изменения, следовательно, не могут быть однозначно отнесены к изменению поверхностного потенциала или топографии поверхности, если отслеживается только один переход зарядового состояния. Например, выступ на поверхности влияет на потенциал КТ, поскольку стробирование работает более эффективно, если КТ размещается над выступом. Если в методе компенсации используются два перехода, то вклад топографии поверхности и потенциала можно разделить, и обе величины могут быть получены однозначно. Топографическая информация, полученная с помощью метода компенсации, представляет собой эффективную диэлектрическую топографию металлической природы, которая определяется геометрической топографией и диэлектрическими свойствами поверхности образца или наноструктуры. ${\ 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}}}$

Рекомендации

Внешние ссылки

• 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