Imagerie d'atomes sur des cristaux atomiques 2D dans des liquides

Peter Nirmalraj étudie les propriétés des matériaux stratifiés 2D à l'aide d'un C₆₀ sonde STM en métal fonctionnalisé dans les laboratoires sans bruit du Binnig and Rohrer Nanotechnology Center. (Source :Marcel Begert, IBM Research–Zurich)

Plus de 35 ans après que les lauréats du prix Nobel d'IBM Gerd Binnig et Heinrich Rohrer aient inventé le microscope à effet tunnel (STM), les scientifiques d'IBM à Zurich ont réalisé une autre percée dans le domaine de l'imagerie et de la métrologie atome par atome. Mais cette fois, c'est dans les liquides.

En collaboration avec des scientifiques de l'Université de Limerick, de l'École polytechnique fédérale de Lausanne et de l'Université du Massachusetts-Amherst, les scientifiques d'IBM Peter Nirmalraj, Bernd Gotsmann et Heike Riel ont conçu et démontré avec succès le fonctionnement d'une sonde STM moléculaire robuste - en un écosystème liquide à température ambiante pour analyser les matériaux en couches 2D émergents.

Ce travail marque une première réalisation technique. Auparavant, l'imagerie de matériaux de faible dimension tels que les molécules organiques et les matériaux 2D à l'aide d'une sonde STM moléculaire avec une résolution spatiale spectaculaire était réalisée sous ultravide (UHV), souvent dans des conditions cryogéniques.

L'article intitulé "Une sonde moléculaire robuste pour l'analyse à l'échelle de l'ngstrom dans les liquides", paru aujourd'hui dans Nature Communications , décrit la recherche et ses conclusions.

J'ai parlé avec Peter, qui se spécialise dans la science des surfaces moléculaires et la microscopie à sonde à balayage dans les liquides, pour en savoir plus sur ses recherches.

Quel élément de la conception de la sonde a permis la haute résolution que vous avez obtenue dans votre article ?

Pierre Nirmalraj : Nous sommes passés de l'utilisation d'une sonde STM en or non fonctionnalisée à la terminaison chimique de l'apex de la sonde STM avec un seul carbone-60 (C₆₀ ), ce qui réduit la réactivité de l'apex de la sonde et peut améliorer le contenu en informations spatiales du matériau à l'étude. Jusqu'à présent, ce niveau de contrôle et d'étendue des informations atome par atome sur les matériaux 2D n'était pas anodin à atteindre dans des liquides à température ambiante.

Qu'est-ce qui est particulier à l'imagerie dans des conditions de laboratoire standard, par opposition aux conditions UHV et cryogéniques courantes ?

Référence : Le principal défi réside dans la stabilité de la molécule unique au sommet de la pointe de la sonde. Imaginez une montagne inversée et placez une cerise à son sommet - c'est l'échelle qui nous intéresse. Dans des conditions cryogéniques, le contact est beaucoup plus stable car il présente des fluctuations minimes, mais à température ambiante, la molécule est énergétiquement et dynamiquement active. Cela a tendance à conduire à un complexe de sonde STM moléculaire instable. Ici, nous montrons qu'une sonde délicate à température ambiante peut être stabilisée dans des liquides à haute densité, capables de minimiser le mouvement de la molécule ancrée autour de l'apex de la sonde métallique STM.

De gauche à droite à droite :sonde STM en or à terminaison fullerène. Un hexagone monoatomique de graphène monocouche montrant les sites atomiques de carbone dans le réseau de graphène. Structure atomique du bisulfure de molybdène 2D, où les espèces atomiques peuvent être analysées sélectivement.

Le Forum économique mondial a classé les matériaux 2D dans le top 10 des technologies émergentes de 2016. Dans ce contexte, quelle est l'importance de la haute résolution avec laquelle vous pouvez réaliser une imagerie atome par atome de matériaux 2D dans des liquides ?

Référence : Une meilleure compréhension des propriétés des matériaux 2D extraits dans des conditions pratiques deviendra décisive si des dispositifs robustes basés sur de tels matériaux passionnants doivent être réalisés. Une connaissance précise de la compatibilité ambiante, de la robustesse environnementale et des propriétés électroniques des matériaux 2D serait un grand avantage pour les fabricants de dispositifs tels que les transistors à couche mince ou les dispositifs électroniques transparents et flexibles basés sur des matériaux 2D.

"Notre technique permet une empreinte structurelle et électronique plus rapide et plus fiable d'un ensemble de matériaux 2D en croissance rapide."

—Peter Nirmalraj, chercheur IBM Research

En intensifiant la caractérisation de ces matériaux, nous avons réussi à combiner la résolution la plus élevée possible à ce jour dans des conditions expérimentales difficiles. Combler cet écart donne aux informations une grande valeur et a des implications directes dans l'ingénierie des dispositifs 2D à base de matériaux.

Quelles étapes doivent être suivies pour faire progresser l'imagerie aux interfaces liquide-solide ?

Référence : Le prochain test consiste à appliquer cette technique pour résoudre des éléments moléculaires uniques avec une résolution submoléculaire. D'un point de vue à la fois expérimental et théorique, nous devons mieux comprendre les mécanismes de couplage entre la molécule et la pointe en présence du milieu liquide englobant, et sur l'impact électronique et structurel de la molécule en explorant les améliorations observées du contraste spatial .

---

À propos de l'auteur : Millian Gehrer est stagiaire d'été chez IBM Research – Zurich, où il interviewe des scientifiques pour en savoir plus sur leur travail et leurs motivations. À l'automne, il commencera à étudier l'informatique en tant que premier cycle à l'Université de Princeton.