Jülich与马格德堡大学合作的一组研究人员开发出一种新方法，用于以原子精度测量样品的电位。使用常规方法，直到现在几乎不可能定量地记录在单个分子或原子附近发生的电势。新的扫描量子点显微镜方法最近由ForschungszentrumJülich的科学家和其他两个机构的合作伙伴在Nature Materials杂志上发表，可以为芯片制造或生物分子如DNA的表征开辟新的机会。
所有物质组成的正原子核和负电子产生的电势场相互叠加和相互补偿，即使在很短的距离内也是如此。传统方法不允许对这些小面积场进行定量测量，这些场面负责纳米尺度上的许多材料特性和功能。几乎所有能够成像这种电位的既定方法都是基于电荷引起的力的测量。然而，这些力很难与纳米尺度上发生的其他力量区分开来，这阻碍了定量测量。
然而，四年前，ForschungszentrumJülich的科学家发现了一种基于完全不同原理的方法。扫描量子点显微镜涉及将单个有机分子 - “量子点” - 附着到原子力显微镜的尖端。然后该分子用作探针。“分子非常小，我们可以通过原子力显微镜的尖端以受控的方式将单个电子附加到分子上，”Jülich的PeterGrünberg研究所分子控制机械操纵组负责人Christian Wagner博士解释说。 PGI-3)。
研究人员立即认识到这种方法有多么有前途，并提交了专利申请。但是，实际应用还有很长的路要走。“最初，它只是一个令人惊讶的效果，其适用性有限。现在已经发生了变化。我们不仅能够可视化单个原子和分子的电场，我们还可以精确地量化它们，”瓦格纳解释说。“这与我们来自卢森堡的合作者进行的理论计算的比较证实了这一点。此外，我们可以对样品的大面积进行成像，从而同时显示各种纳米结构。而我们只需要一小时就能得到详细的图像。”
Jülich研究人员花了数年时间研究这种方法，并最终形成了一个连贯的理论。图像非常清晰的原因是允许显微镜尖端与样品保持相对较大距离的效果，大约2-3纳米 - 对于普通原子力显微镜来说是不可想象的。
在这种情况下，重要的是要知道样品的所有元素都会产生影响量子点的电场，因此可以进行测量。显微镜尖端起到保护屏的作用，可以抑制远离样品区域的破坏性区域。“因此，屏蔽电场的影响呈指数级下降，而量子点仅检测到周围的区域，”瓦格纳解释说。“因此，即使是理想的点探测，我们的分辨率也远远超出预期。”
Jülich的研究人员应该从Otto von Guericke University Magdeburg向他们的合作伙伴测量完整样品表面的速度。那里的工程师开发了一个控制器，帮助自动化复杂，重复的扫描样品序列。“原子力显微镜的工作方式有点像唱片机，”瓦格纳说。“尖端穿过样品并将表面完整的图像拼接在一起。然而，在先前的扫描量子点显微镜工作中，我们不得不移动到样品上的单个位置，测量光谱，移动到下一个位置，测量为了将这些测量结果合并到一个图像中，还有另一个光谱等等。通过Magdeburg工程师的控制器，我们现在可以简单地扫描整个表面，就像使用普通的原子力显微镜一样。
然而，也有一些缺点。准备测量需要花费大量的时间和精力。用作测量量子点的分子必须事先连接到尖端 - 这只能在低温真空中进行。相比之下，普通原子力显微镜也可在室温下工作，无需真空或复杂的制剂。
然而，PGI-3主任Stefan Tautz教授乐观地说：“这不一定限制我们的选择。我们的方法仍然是新的，我们对第一个项目感到兴奋，所以我们可以展示它真正能做什么“。
量子点显微镜有许多应用领域。半导体电子产品正在推动一个原子可以对功能产生影响的领域的规模边界。静电相互作用在其他功能材料如催化剂中也起着重要作用。生物分子的表征是另一种途径。由于尖端和样品之间的距离相对较大，该方法也适用于粗糙表面 - 例如DNA分子表面，具有其特有的3D结构。