Microscopia a scansione di punti quantici - Scanning quantum dot microscopy

Microscopia a scansione di punti quantici

La microscopia a scansione quantum dot (SQDM) è una microscopia a scansione a sonda (SPM) utilizzata per visualizzare le distribuzioni di potenziale elettrico su scala nanometrica sulle superfici. Il metodo quantifica le variazioni del potenziale superficiale tramite la loro influenza sul potenziale di un punto quantico (QD) attaccato all'apice della sonda scansionata. SQDM consente, ad esempio, la quantificazione di dipoli superficiali originati da singoli adatomi , molecole o nanostrutture . Ciò fornisce approfondimenti sui meccanismi di superficie e interfaccia come ricostruzione o rilassamento, distorsione meccanica, trasferimento di carica e interazione chimica . La misurazione delle distribuzioni del potenziale elettrico è rilevante anche per caratterizzare dispositivi a semiconduttore organici e inorganici che presentano strati di dipolo elettrico alle relative interfacce . La distanza sonda-superficie in SQDM varia da 2 nm a 10 nm e quindi consente l'imaging su superfici non planari o, ad esempio, di biomolecole con una struttura 3D distinta. Le tecniche di imaging correlate sono la microscopia a forza di sonda Kelvin (KPFM) e la microscopia a forza elettrostatica (EFM).

Principio di funzionamento

In SQDM, la relazione tra il potenziale al QD e il potenziale di superficie (la quantità di interesse) è descritta da un problema ai valori al contorno dell'elettrostatica. Il confine è dato dalle superfici del campione e della sonda che si presume siano connesse all'infinito. Quindi, il potenziale di un QD puntiforme a può essere espresso usando il formalismo della funzione di Green come somma su volume e integrali di superficie, dove denota il volume racchiuso da ed è la normale alla superficie. ${\displaystyle {\mathcal {S}}}$${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}=\Phi ({\mathbf {r}})}$${\displaystyle {\mathbf {r}}}$${\displaystyle {\mathcal {V}}}$${\displaystyle {\mathcal {S}}}$${\displaystyle {\mathbf {n}}'}$

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

In questa espressione, dipende dalla densità di carica interna e dal potenziale su pesato dalla funzione di Green ${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}}$${\displaystyle\rho}$${\displaystyle {\mathcal {V}}}$${\displaystyle\Phi}$${\displaystyle {\mathcal {S}}}$

La relazione tra il potenziale QD in r e il potenziale superficiale in r' è descritta da un problema ai valori al contorno dell'elettrostatica.

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

dove soddisfa l' equazione di Laplace . ${\displaystyle F}$

Specificando e quindi definendo le condizioni al contorno , queste equazioni possono essere utilizzate per ottenere la relazione tra e il potenziale di superficie per situazioni di misurazione più specifiche. La combinazione di una sonda conduttiva e di una superficie conduttiva, una situazione caratterizzata da condizioni al contorno di Dirichlet , è stata descritta in dettaglio. ${\displaystyle F}$${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}}$${\displaystyle \Phi _{\text{s}}({\mathbf {\text{r}}}'),\quad {\mathbf {r}}'\in {\mathcal {S}}}$

Concettualmente, la relazione tra e collega i dati nel piano di imaging, ottenuti leggendo il potenziale QD, ai dati nella superficie dell'oggetto - il potenziale di superficie. Se la superficie del campione è approssimata come localmente piatta e la relazione tra e quindi traslazionalmente invariante, il recupero delle informazioni sulla superficie dell'oggetto dalle informazioni sul piano di imaging è una deconvoluzione con una funzione di diffusione del punto definita dal problema del valore di confine. Nel caso specifico di un confine conduttivo, la schermatura reciproca dei potenziali di superficie per punta e superficie porta a un calo esponenziale della funzione di diffusione del punto. Ciò causa la risoluzione laterale eccezionalmente elevata di SQDM a grandi separazioni di superficie punta rispetto, ad esempio, a KPFM. ${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}({\mathbf {r}})}$${\displaystyle \Phi _{\text{s}}({\mathbf {r}}')}$${\displaystyle \Phi _{\text{QD}}({\mathbf {r}})}$${\displaystyle \Phi _{\text{s}}({\mathbf {r}}')}$

Implementazione pratica

Sono stati riportati due metodi per ottenere le informazioni sul piano di imaging, ovvero le variazioni del potenziale QD quando la sonda viene scansionata sulla superficie. Nella tecnica di compensazione, è tenuto ad un valore costante . L'influenza dei potenziali di superficie variabili lateralmente su viene compensata attivamente regolando continuamente il potenziale globale del campione tramite una tensione di polarizzazione esterna . viene scelto in modo tale che corrisponda a una transizione discreta dello stato di carica QD e la corrispondente variazione della forza sonda-campione viene utilizzata nella microscopia a forza atomica senza contatto per verificare una corretta compensazione. ${\displaystyle \Phi _{\text{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}}$

In un metodo alternativo, la componente verticale del campo elettrico nella posizione QD viene mappata misurando lo spostamento di energia di una specifica transizione ottica del QD che si verifica per effetto Stark . Questo metodo richiede un'impostazione ottica aggiuntiva oltre all'impostazione SPM.

L'immagine del piano dell'oggetto può essere interpretata come una variazione della funzione lavoro , del potenziale superficiale o della densità del dipolo superficiale. L'equivalenza di queste quantità è data dall'equazione di Helmholtz. All'interno dell'interpretazione della densità del dipolo superficiale, i dipoli superficiali delle singole nanostrutture possono essere ottenuti mediante integrazione su un'area superficiale sufficientemente ampia. ${\displaystyle \Phi _{\text{s}}({\mathbf {r}}')}$

Informazioni topografiche da SQDM

Nella tecnica di compensazione, l'influenza del potenziale globale del campione su dipende dalla forma della superficie del campione in un modo definito dal corrispondente problema del valore al contorno. Su una superficie non planare, i cambiamenti di non possono quindi essere assegnati in modo univoco a un cambiamento nel potenziale superficiale o nella topografia superficiale se viene tracciata solo una singola transizione di stato di carica. Ad esempio, una sporgenza in superficie influisce sul potenziale QD poiché il gate by funziona in modo più efficiente se il QD è posizionato sopra la sporgenza. Se vengono utilizzate due transizioni nella tecnica di compensazione, i contributi della topografia superficiale e del potenziale possono essere districati ed entrambe le quantità possono essere ottenute in modo univoco. L'informazione topografica ottenuta tramite la tecnica di compensazione è un'efficace topografia dielettrica di natura metallica definita dalla topografia geometrica e dalle proprietà dielettriche della superficie del campione o di una nanostruttura. ${\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}}}$

Riferimenti

link esterno

• https://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-3/EN/Groups/LTSTM/Research/SQDM.html
• https://poggiolab.unibas.ch/research/Scanning%20Quantum%20Dot%20Microscopia/
• http://momalab.org/index.php/?action=devices