Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Hand Kontrolleret Manipulation af enkelte molekyler via en Scanning Probe mikroskop med en 3D Virtual Reality-grænseflade

Published: October 2, 2016 doi: 10.3791/54506
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2
1Peter Grünberg Institut (PGI-3), Forschungszentrum Jülich, 2Fundamentals of Future Information Technology, Jülich Aachen Research Alliance (JARA)

Abstract

I betragtning af organiske molekyler som de funktionelle byggesten i fremtidens nanoskala teknologi, er stadig åben spørgsmålet om, hvordan man arrangerer og samle sådanne byggesten i en bottom-up-tilgang. Den scanning probe mikroskop (SPM) kunne være et redskab for valg; Men SPM-baserede manipulation var indtil for nylig begrænset til to dimensioner (2D). Binding SPM tip til et molekyle på en veldefineret position åbner en mulighed for kontrolleret manipulation i 3D-rum. Desværre, 3D manipulation er stort set uforenelig med den typiske 2D-paradigme visning og generering SPM data på en computer. For intuitiv og effektiv manipulation vi derfor parret en lav temperatur berøringsfri atomic force / scanning tunneling mikroskop (LT NC-AFM / STM) til et motion capture-system og fuldt fordybende virtual reality briller. Denne opsætning tillader "hånd styret manipulation" (HCM), hvori SPM spids bevæges ifølge bevægelsen af ​​eksperimentatorens hånd, while spidsen baner samt svaret fra SPM junction visualiseres i 3D. HCM baner vejen for udvikling af komplekse manipulation protokoller, der kan føre til en bedre grundlæggende forståelse af nanoskala interaktioner handler mellem molekyler på overflader. Her beskriver vi opsætning og de nødvendige skridt for at opnå succes hånd-kontrolleret molekylær manipulation inden for virtual reality miljø.

Introduction

Den lave temperatur ikke-kontakt atomic force / scanning tunneling mikroskop (LT NC-AFM / STM, i det følgende blot betegnes SPM) er et oplagt middel for atomisk præcis manipulation af individuelle atomer eller molekyler 1 - 3. SPM-baseret manipulation er typisk begrænset til to dimensioner og består af en serie af pludselige og ofte stokastiske manipulation hændelser (hopper). Dette begrænser i det væsentlige den kontrol over processen. Kontakt molekylet pågældende med en enkelt kemisk binding ved en veldefineret atomare stilling fører til en tilgang, der kan overvinde disse begrænsninger 4 - 9. Igennem hele sin manipulation den kontaktede molekyle er forbundet til SPM spidsen, så bevægelse af molekylet i alle tre dimensioner ved passende forskydninger af spidsen bliver mulig. Dette skaber mulighed for forskellige komplekse manipulation procedurer udføres i 3D-rum. Men kontakttrinnet manipulation kan være hindered af vekselvirkninger mellem manipuleret molekyle med overfladen og / eller andre molekyler i omgivelserne, hvilket kan skabe kræfter, der er store nok til at bryde spidsen-molekylet kontakt. Derfor en bestemt 3D bane SPM spidsen kan eller ikke kan resultere i en vellykket manipulation begivenhed. En Spørgsmålet er derfor, hvordan man definerer protokoller, der fører til en vellykket gennemførelse af manipulation i de omstændigheder, når spidsen-molekylet obligation har en begrænset styrke, mens samspillet mellem den manipulerede molekyle med dens miljø er ikke en-priori godt karakteriseret.

Her dette spørgsmål er kontaktet i den mest intuitive måde kan forestille sig. Eksperimentatoren får lov til at styre forskydningerne af SPM spids simpelthen ved at bevæge hånden 7. Dette opnås ved kobling af SPM til en kommerciel motion capture-system, nogle af de specifikationer, som er tilvejebragt nedenfor. Fordelen ved "hånd styret manipulation" (HCM) er i than forsøgslederen evne til at afprøve forskellige manipulation baner hurtigt og lære af deres fejl eller succes.

Den HCM setup er blevet brugt til at foretage en proof-of-principle eksperiment, hvor et ord ( "Julich") blev stencilerede i et lukket lag af perylen-3,4,9,10-tetracarboxylsyre dianhydrid (PTCDA) molekyler på Ag ( 111), fjernelse af 48 molekyler, én efter én, med HCM 7. Løfte et molekyle fra overfladen spalter dens intermolekylære hydrogenbindinger, som binder molekylerne i monolaget 10. Typisk den samlede styrke af de foreliggende intermolekylære bindinger overstiger styrken af enkelt kemisk binding mellem den yderste atom i spidsen og en carboxylsyre oxygenatom af PTCDA hvorved molekylet bringes i kontakt (se figur 1). Det kan føre til brud på tip-molekylet kontakt og følgende svigt af manipulation forsøget. Eksperimentatoren opgave er således at determine et tip trajektorie, som bryder de modsætter intermolekylære bindinger sekventielt snarere end samtidigt, således at den samlede kraft, der påføres spidsen-molekylet kontakt aldrig overstiger dets styrke.

Selvom den ønskede bane kan i princippet simuleres, på grund af størrelsen og kompleksiteten af ​​systemet involveret de nødvendige simuleringer ville tage et uoverkommeligt stor mængde tid. I modsætning til dette, ved hjælp af HCM var det muligt at fjerne den første molekyle i det 40. minut. Mod slutningen af ​​eksperimentet ekstraktionen tog allerede meget mindre tid som bekræfter effektiviteten af ​​proceduren indlæring. Desuden blev nøjagtigheden og alsidigheden af ​​HCM-metoden fremgår i den handling af omvendt manipulation, når et molekyle udvundet fra den nærliggende placering blev brugt til at lukke tomrummet efter den fejlagtige fjernelse af et andet molekyle fra monolag.

Motion capture tilgang, og samtidig være hurtig og intuitiv, erbegrænset til frembringelsen af ​​tip-bane-data. For yderligere systematisk udvikling af nye molekylære manipulation protokoller er det lige så vigtigt at kunne se tip bane data i realtid samt at analysere tidligere genererede data. Derfor er funktionaliteten af ​​HCM setup forbedret væsentligt ved tilsætning virtual reality beskyttelsesbriller, der tillader eksperimentator at se de afbildede data i 3D virtuelle scene, hvor spidsen bane forøges af den strøm (I) og frekvens skift (delta f) værdier målt af SPM i realtid 8 (se nedenfor). Ud over det, virtual reality scene viser en model af det manipulerede molekyle, der tjener som reference visuel skala. Således HCM setup komplimenteres af den virtuelle virkelighed interface er velegnet til systematisk kortlægning af manipulation bane plads og successiv forfinelse af de lovende manipulation protokoller. Udover at systemet letter også videnformidling mellem different eksperimenter. De følgende afsnit giver en beskrivelse af setup og nogle af dens specifikationer, der er relevante for manipulation eksperimenter.

Eksperimenterne udføres i ultrahøjt vakuum (UHV) ved en base tryk på 1 x 10 -10 mbar med en kommerciel SPM bestående af et præparat kammer og en analyse kammer. Præparatet kammer er udstyret med: Ar + kilde bruges til prøve sputtering, prøve overførsel via manipulator (tillader opvarmning og afkøling af en prøve), lavenergi elektron diffraktion (LEED), en tilpasset Knudsen-celle (K-celle) indeholder PTCDA pulver oprenset ved sublimation. Analysen kammer er udstyret med: LN 2 bad kryostat med et volumen på 12 L og en holdetid på 46 timer, LHE bad kryostat (5 L, 72 timer), Besocke 11 bille-typen SPM udstyret med en stemmegaffel sensor 12 ( TFS) bestående af en kvarts stemmegaffel med en elektrisk forbundet PtIr spids (for STM drift), Som skæres og slibes en fokuseret ionstråle (FIB) (figur 2).

figur 1
Figur 2. Tuning fork sensor. (A) Billede af en kommerciel stemmegaffel sensor med vedhæftet PtIr spids. (B) SEM billede af PtIr spids spids skæres med FIB. Klik her for at se en større version af dette tal.

AFM drives i frekvens-moduleret (FM) forløb 13, hvor TFS er spændt på resonans (f 0 ≈ 31.080 Hz) med en dither piezo. Det piezoelektriske signal af den oscillerende stemmegaffel forstærkes og anvendes af en faselåst sløjfe (PLL), som holder amplituden af ​​TFS s svingning konstant og sporer ændringer its resonansfrekvens, △ f = f - f 0, der stammer fra gradienten af den kraft, der virker på spidsen. Som vist i figur 3 SPM spids position styres af spændinger (u x, u y, u z) påført på et sæt af x-, y-, z-piezos (piezo konstanter ved 5 K: x = 15, y = 16, z = 6 Å / V). U x, er u y, u z -voltages (± 10 V ved 20 bit opløsning), der genereres ved SPM elektronik udgange. De er yderligere forstærket ved en høj spænding (HV) forstærker, der har en maksimal udgangsspænding på ± 200 V.

figur 1
Figur 3. Skematisk af HCM opsætning. Placeringen af (sporet objekt) TIL der har flere (infrarød) IR kilder installeret på dens overflade er spores af to infrarøde kameraer af motion capture-system (MCS). TipControl såftware opnår TO koordinater (x, y, z) af MCS og sender det til den eksterne spændingskilde (RVS), som genererer et sæt af spændinger (v x, y, v z), som er summeret med spændingerne (u x , u y, u z) frembragt af SPM elektronik til styring af SPM spids position. Den ekstra spænding passerer gennem en højspænding (HV) forstærker og er yderligere anvendt på piezo-positionering system SPM spids. Opsætningen giver mulighed for manuel styring af spidsen positionering, når SPM feedback (FB) loop er åben. (X, y, z) position af spidsen samt I (x, y, z) og Af-(x, y, z) føres til den VRinterface software, der plotter det i 3D virtuelle scene set fra brugeren iført displayet hovedmonteret (HMD). klik her for at se en større version af dette tal.

Den tunneling strøm, der flyder mellem SPM spids ogoverfladen måles af en overføringsimpedansforstærker med en variabel forstærkning, der varierer fra 1 x 10 3 til 1 x 10 9 V / A (båndbredde ved forstærkning 1 x 10 9 V / A er 1 kHz). Udgangssignalet fra forstærkeren tilføres STM feedback (FB) loop til regulering spidsen højde over overfladen i konstant strøm scanningsfunktion. Stabiliteten af ​​forbindelsen (med TFS oscillation slukket) er 1-3 pm. Det piezoelektriske oscillationssignal af TFS amplificeres i to trin: (1) forforstærker fastgjort til LN2 skjold (vinde 1 x 10 8 V / A, båndbredde 20 kHz), og (2) ekstern spænding forstærker med variabel forstærkning fra 1 x 10 1 til 5 x 10 4 og en båndbredde på 1 MHz.

For HCM eksperimenter er SPM setup udvidet med: motion capture-system (MCS), fjernstyret multikanal spænding kilde (RVS), opsummering forstærker og virtual reality hovedmonteret display (HMD). Alle de børsnoterede enheder undtagen summing forstærker erhvervet kommercielt.

MSC er en infrarød (IR) markør-tracking system, der tillader millimeter opløsning af rumlige forskydninger med en hastighed på 100 Hz. Systemet består af to IR kameraer, en sporbar objekt (TO) og styresoftware. MCS software opnår x-, y-, z-koordinater for i 3D rummet ved at analysere dets billeder opnået ved de to kameraer. MCS giver et programmeringssprog bibliotek, som tillader brug af koordinaterne for TO i et separat program.

Koordinaterne for TO (x TO, y TO, z TO) gives videre til en specialfremstillet udviklet software program "TipControl". Figur 4 viser et skærmbillede af den grafiske brugergrænseflade. Softwaren aktiveres af knappen "start" i vinduet. Efter aktivering (τ = 0) softwaren indstiller al v x -, v y -, v z -voltages på RVS (spændingsområde ± 10 V ved 16bit opløsning, 50 msek latens per spænding trin) efter følgende udtryk ligning 1 etc., hvor Cx, c y, c z er de faktorer, der konverterer 5 cm af forskydningen af TO i 1 Å forskydning af SPM spids. Den faktorer p x (t), p y (t), s z (t) har værdier defineret af status for x-, y-, z-afkrydsningsfelter i softwaren vinduet. Hvis feltet er markeret derefter den tilsvarende p (t) er sat til 1. Alle p (t) er sat til 0 i det øjeblik, når der trykkes på knappen "pause" i softwaren vinduet. Det kan føreren midlertidigt "fryse" positionen af ​​spidsen. Ved at trykke på "reset alle" knappen i softwaren vinduet sætter v x -, v y -, v z -voltages til nul som returnerer spidsen til udgangsstillingen defineret af SPM software. Tekstfeltet "manuel kommando til RVS" i softwaren vinduet ca n bruges til at indstille en af v x -, v y -, v z -voltages til nogen værdi i det tilladte interval på ± 10 V. v x -, v y -, -voltages v z genereret af RVS tilføjes til u x -, u y -, u z -udgangen spændingssignaler af SPM elektronik via en opsummering forstærker (vinde en, båndbredde 50 kHz, ydelsesområde ± 10 V).

figur 1
Figur 4. Skærmbillede af grænsefladen vinduet. To indikatorer udviser status for forbindelse med MCS og RVS-systemer. Afkrydsningsfelter bruges til at aktivere hånd-kontrol langs udvalgte rumlige akser. Knappen "Start" indleder datastrømmen mellem MCS, TipControl og RVS ifølge skemaet vist i figur 3. Knappen "Pause" stopper datastrømmen. Button "Reset All" sætter alle RVS spændinger til nul.= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg" target = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.

For visualisering af de eksperimentelle data (tip bane, jeg, Af-) anvendes et hoved monteret display (HMD). Den HMD giver en stereoskopisk visning (split HD-skærm - den ene halvdel for hvert øje, 1.920 x 1.080 pixel ved 75 Hz). En dedikeret IR kamera sporer positionen og orienteringen af ​​HMD i 3D rummet ved hjælp af IR-lysdioder fast på overfladen af ​​HMD. Det HMD tracking system gør det muligt for operatøren at ændre visningen i 3D virtual reality scene med en tur af deres hoved eller blot at flytte deres krop.

Den brugerdefinerede skrevet software "VRinterface" indsamler data både fra SPM og MCS, gør det i 3D scene ved hjælp OpenGL og viser det i HMD med hjælp af HMDS software development kit (SDK). VRinterface henter den faktiske x-, y-, z-koordinater af spidsen direkte fratip software (få millisekund latenstid), mens I og bf signaler aflæses direkte fra udgangene på SPM elektronik (latenstid ≈ 250 ms). Figur 5 viser et skærmbillede af 3D virtuelle scene set af operatøren iført HMD under HCM. Inde i 3D virtuelle scene spidsen toppunkt er gengivet som et hvidt rum. Farvning af de registrerede tip baner afspejler værdier af enten log (I (x, y, z)) eller delta f (x, y, z). Skift mellem log (I (x, y, z)) eller Af-(x, y, z) farvetilstande gøres ved at trykke på en knap. En anden knap starter optagelsen (og vise) af eksperimentelle tip bane data. Når der trykkes igen på knappen stopper optagelsen. Den virtuelle scene viser også en statisk PTCDA molekyle, der anvendes som en visuel hjælp under manipulation. Operatøren justerer dens orientering manuelt at passe orienteringen af ​​den virkelige molekyle på overfladen ved hjælp af knapperne på tastaturet.

Advarsel: Fordi hovedet treoler af HMD afhængig IR-lysdioder, det kan forstyrre MCS, da den også bruger IR-lys til at spore placeringen af ​​TO. Derfor at skal have en unik form anerkendt af MCS. Dette hjælper MCS at skelne mellem de signaler, der kommer fra TO, og dem, der kommer fra IR-lysdioder af HMD.

figur 1
Figur 5. S creenshot af 3D virtuelle scene vises til operatøren i HMD under HCM. Et sæt hvide kugler danner en model Ag (111) overflade. Orientering af modellen overflade kan ikke nødvendigvis sammenfaldende med orienteringen af ​​prøven. En model af PTCDA molekylet er placeret over modellen overflade. C, O, H atomer af PTCDA er vist i sort, rød og hvid hhv. Med henblik på bekvemmelighed azimutale orientering af modellen molekylet kan justeres til at passe til orienteringen af ​​den reelle molekyle valgtfor manipulation. Spidsen position er markeret med en enkelt hvid sfære repræsenterer den yderste spids spids atom. Realtids I (x, y, z) og delta f (x, y, z) data vises som stavindekser placeret ved siden af ​​spidsen. Tidligere registreret samt de aktuelt udførte manipulationer vises som 3D-baner, hvis farve repræsenterer enten log (I (x, y, z)), eller bf (x, y, z) værdier målt ved tilsvarende positioner af bane. Figuren viser baner, der er farvet med log (I (x, y, z)) signal. Farven kontrast kan skiftes mellem log (I (x, y, z)) og Af-(x, y, z) tilstande ved tryk på en knap. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forsigtig: PTCDA kan irritere huden eller øjnene, og derfor bør håndteres med forsigtighed ved brug egnede handsker. Kontakt passende sikkerhedsforanstaltninger brochurer. Kryogene væsker kan producere virkninger på huden ligner en termisk forbrænding eller kan give forfrysninger på langvarig eksponering. Bær altid beskyttelsesbriller og passende kryogene handsker ved håndtering af kryogene væsker. Gassen dannes af kryogene væsker er meget kolde og normalt tungere end luft og kan akkumuleres i nærheden af ​​gulvet fortrænger luft. Når der ikke er nok luft eller oxygen, kvælning og død kan forekomme. Kontakt passende sikkerhedsforanstaltninger brochurer.

1. Prøvefremstilling

  1. Aflejring af PTCDA på Ag (111)
    Bemærk: monolag (ML) dækning af PTCDA bør være mellem 10-30% og koncentreret i store, kompakte øer (figur 6). Denne situation er ideel til at gøre manipulation eksperimenter samtidig have nok ren metaloverflade for tip preparatipå.
    1. Rengør Ag (111) crystal inden deponeringen med en standard procedure for sputter og annealing cykler 14.
      1. Sputter krystallen med Ar + -ioner i 15 minutter. Brug Ar tryk ved 1 x 10 -5 mbar, en ion energi på 0,8 keV og krystallen ved stuetemperatur (RT).
      2. Anneale prøven ved 530 ° C i 15-30 min.
    2. Brug PTCDA K-celle til at deponere 0,1-0,3 ML af PTCDA på Ag (111) prøve ved stuetemperatur 14.
      BEMÆRK: Ingen deposition parametre er givet, fordi depositionsbetingelserne kan variere fra opsætning til opsætning.
    3. Efter aflejring, flash prøven til 200 ° C i 2 minutter for at forbedre bestilling af PTCDA øerne og desorbere mulige forureninger.
    4. Eventuelt inspicere aflejring med LEED ved at kontrollere diffraktion mønster af PTCDA på Ag (111) 15.
    5. Brug setup-specifikke procedure til at overføre prøven til SPM. Typisk brug en manipulator stand til lineær overførsel inde UHV og muligvis en håndbetjent wobble-stick.
  2. Kontroller prøveforberedelse i SPM.
    1. Vent efter at prøven overdragelse, indtil temperaturen af ​​SPM er tæt på sin base temperatur (her: 5 K). Varigheden i den beskrevne opsætning er omkring 1 time for en prøve afkølet til LN2 temperatur under overførsel.
    2. Brug setup-specifikke procedure at nærme spidsen til overfladen (i konstant aktuelle tilstand), indtil tunneling strøm vises.
    3. Vælg offset spænding på HV forstærker sådan, at u z = 0. Dette vil være standard indstillingen hele papiret, hvis ikke andet er angivet.
    4. Undersøg prøveforberedelse gør konstant strøm STM billeder (indstillingspunkt: I = 0,1 nA, forspænding V b = -0,35 V påført prøven, nuværende forstærker gevinst 1 x 10 9 V / A) af overfladen. De givne parametre lette billeddannelse af den laveste unoccupied molekylære orbital (LUMO) i PTCDA. Dette medvirker til at identificere placeringen af carboxyliske oxygenatomer i den valgt til manipulation (indsat i figur 6) molekyle.
    5. Forbered spidsen indtil SMS billederne ligner figur 6. For eksempel brug impulser af 5-6 V på tip-overflade afstandskrav, der svarer til det aktuelle imaging setpunktet eller flytte spidsen med 7-10 Å (ved stabiliseringen punkt ) mod rent Ag (111) overflade, mens anvendelse Vb = 0,1 V til prøven. Crash spidsen dybere i tilfælde af en dobbelt spids. Brug ikke pulser tæt på PTCDA øer!

2. Opsætning AFM Drift med TFS

  1. Indstil systemspecifikke PLL parametre for FM-AFM således at Af-detektion er muligt med acceptable støjforhold og detektion hastighed (f.eks 0,1-0,5 Hz støj i Af-inden 7 Hz båndbredde på TFS oscillation amplitude på omkring 0,2-0,4 Å ).
    2. 0 i TFS.
    1. Tilbagetrække spidsen fra overfladen til den maksimale afstand SPM controlleren er i stand til at nå (fx ved at indstille v z = -10 V, som i tilfælde af opsætningen her beskrevne trækker spidsen fra overfladen ved ca. 180 Å).
    2. Optage en resonans kurve (TFS oscillation amplitude vs. drivfrekvensen ved konstant TFS excitation amplitude) ved hjælp af SPM software.
    3. Læs resonansfrekvensen f 0, da positionen af den maksimale af resonanskurven på frekvensen akse. Q-faktoren beregnes af softwaren fra bredden af ​​den resonante top. Q-faktoren for den beskrevne opsætning varierer mellem 50.000-70.000 (figur 7).
  2. Placer spidsen over en ren Ag (111) areal og kalibrere TFS oscillation amplitude efter Ref. 16.

o 3. Integrationf MCS i SPM Setup

  1. Samling og kalibrere MCS ifølge manualen opnået fra producenten. Kalibrering inkluderer indstilling af oprindelsen af ​​MCS koordinatsystem.
  2. Efter systemet manuel kontakt på TO og tilføje det som et sporet objekt i MCS-software.
  3. Kontroller, om sporing fungerer korrekt ved at flytte TO i volumen afsløring og efter dens position vises af MCS-softwaren.
  4. Test forbindelsen mellem RVS og den software, ved at sende en test kommando til RVS fra vinduet (se figur 4).
  5. Test forbindelsen mellem MCS, RVS og TipControl.
    1. Kontroller, om v x -, v y -, er v z -voltages af RVS sat til 0 V, og nulstille dem, hvis nødvendigt.
      1. Træk spidsen fra overfladen (2.2.1).
      2. Tryk på "nulstille alle" knappen i softwaren vinduet for at nulstille v x -, v y -, v z -voltages ved udgangen af RVS.
      3. ENMETODE spidsen tilbage til overfladen med FB loop lukket (1.2.2).
    2. Placer spidsen i rent Ag (111) overflade ved hjælp af setup-specifikke funktion af SPM software.
    3. Tjek x-, y-, z-afkrydsningsfelter i softwaren vinduet. Dette aktiverer hånd-kontrol tilstand af spidsen position langs alle tre rumlige akser.
    4. Tryk på "start" i softwaren vinduet.
    5. Sørg for, at v x -, v y -, v z -voltages genereret af RVS reagere korrekt på bevægelsen af TO langs hver af akserne. Mens bevæger sig langs z-aksen (lodret til overfladen), overvåge omsætningen af FB loop, der forsøger at kompensere det ansøgte fra RVS Vz -voltage.
    6. Tryk på "pause" i softwaren vinduet.
    7. Tryk på "reset alle" i softwaren vinduet.

4. Integration af HMD i SPM Setup

  1. Sørg for, at HMD er tilsluttet og alt nødvendigt drivers er installeret ifølge manualen fra producenten.
  2. Start VRinterface og sørg for at det korrekt gør modellen overflade, den adsorberede molekylet og spidsen (se figur 5).
  3. Juster orienteringen af ​​koordinatsystemet af 3D virtual reality scene ses i HMD med koordinatakserne i MCS.
  4. Sæt på HMD. Hvis det er nødvendigt, flytte HMD på hovedet, mens de udfører de følgende trin for at enten se VR scene eller lab miljø, tastatur og computerskærm.
  5. Test direkte transmission af data i I og bf signaler fra SPM elektronik, fx ved at ændre tunnelering aktuelle beregnede inde i SPM software.
    1. Tjek x-, y-, z-afkrydsningsfelter af softwaren vinduet.
    2. Saml TO og tryk på knappen "start" af softwaren vinduet.
    3. Flyt TO og kontrollere, om kuglen repræsenterer spidsen bevæger sig korrekt inde i virtuelle 3D-scene.
    4. Hold hånd, der holder til konstant indtil der trykkes på "pause" -knappen af ​​softwaren vinduet.
    5. Put væk TO.
    6. Tryk på "nulstille alle" -knappen af ​​softwaren vinduet.

5. Forbered SPM for Manipulation af Single PTCDA molekyler

  1. Indstil STM i konstant strøm tilstand med de parametre, der letter LUMO kontrast til PTCDA og således tillader en at bestemme den molekylære orientering (indstillingspunkt: I = 0,1 nA, forspænding V b = -0,35 V påført prøven, aktuelle forstærkning 1 x 10 9 V / A).
  2. Sørg for, at tip er godt forberedt på manipulation.
    1. Billede PTCDA. I SPM software, indtaste de parametre for scanningen (område, der skal scannes (ligesom 300 x 300 Å 2), setpunkter for feedback loop: I = 0,1 nA og V b = -0,35 V, scanning hastighed = 150 nm / sek ) og tryk på knappen "start" i SPM-softwaren. Opløsningen af ​​billedetskal svare til figur 6.
    2. Sørg for, at delta f, der opstår, når spidsen er flyttet fra tunneling kontakt til en stor afstand fra overfladen (> 100 Å) er ikke meget større end 5-7 Hz.
    3. Hvis nogen af ​​de ovennævnte betingelser ikke er opfyldt gentage spidsen forberedelse over rent Ag (111) overflade (1.2.5).
  3. Find et overfladeareal egnet til manipulation.
    1. Brug SPM software til at finde et område svarende til én er vist i fig 6, som indeholder en PTCDA ø og nogle områder af rent Ag (111) overflade. Hvis det er nødvendigt, skal du bruge rent område til at omforme spidsen mellem forskellige forsøg på manipulation.
    2. Vælg et molekyle inde PTCDA øen for manipulation og optage et detaljeret STM billede (f.eks 50 x 50 Å 2) som vist i figur 6 Vælg ". SetXYOffset - Top" fra en drop-down menuen og vælge det område for detaljeret billede af klikke på et større overblikbillede.
      BEMÆRK: Der er ingen særlige kriterier, da alle molekylerne inde en ø (ca. 3 molekyler væk fra en kant) kan anses for at være ens for manipulation. Der bør ikke være "snavs" synlig på eller ved siden af ​​molekylet. Sådan snavs ville producere en uregelmæssig kontrast i billedet.
  4. Teste evnen af ​​spidsen til at binde til PTCDA molekylet.
    1. Placer spidsen over en af de to car- oxygenatomer af PTCDA (markeret i figur 6) under anvendelse setup-specifikke funktion af SPM software. Vælg "SetXYOffset - Top", og derefter klikke på det respektive billede.
    2. Optag et spektrum, hvor spidsen bevæges lodret mod overfladen med 3-5 Å og jeg (z) er optaget med setup-specifikke funktioner i SPM software.
      1. Indstil en konstant forspænding V b (fx 6 mV) og definere en rampe af spids højde at nærme og at tilbagetrække spidsen fra overfladen (fx 4 Å; tættere og tilbage igen). Klik derefter på knappen "vert. Manip" i SPM-software og vælge en position på den senest optagede STM billede, hvor den lodrette manipulation skal udføres.
    3. Kontrollere, om den registrerede I (z) udviser kontakt-dannelse mellem spidsen og molekylet i form af den skarpe (udover z opløsningen af ​​det optagede spektrum) forøgelse af strømmen I (z). Typisk kontakten er stærk nok til 0,5-3 Å løft gennem lodrette spids tilbagetrækning (se figur 8).
      1. Hvis I (z) kurve ikke viser en skarp kontakt dannelse prøve en af ​​følgende:
        1. Skift den laterale position af spidsen lidt og gentag tilgang procedure.
        2. Gøre en blid spids danner (1.2.5) og prøve at kontakte molekylet igen indtil kontakten adfærd som vist i figur 8 er registreret.
  5. Vent, indtil Piezo krybning er væk (ca. 2-4 timer).
    BEMÆRK: Mængden af ​​afdrift bestemmer stabiliteten af ​​kontaktpunktet under HCM og dermed hvor længe man kan udføre successive manipulationer med det samme molekyle uden at scanne igen i området.
    1. Test krybe langs x-, y-retninger ved at sammenligne to detaljerede STM billeder af det valgte operationsområdet, optaget med et tidsinterval, fx 5 min. Vent til drift er mindre end 0,5 Å mellem de to på hinanden følgende billeder.
    2. Test krybe i z-retningen ved at optage u z (t) anvendes af FB loop over 1 min og beregne afdrift sats. du z (t) / dt skal være ca. 0,2 Å / time.

6. Forberedelse til Hand Kontrolleret Manipulation (HCM)

  1. Sørg for, at alle relevante programmer der kører, og at dataoverførslen mellem de tilsluttede enheder fungerer korrekt: MCS, TipControl, RVS, VRinterface, HMD og SPM elektronik.
  2. Sørg for, at orienteringn af koordinatsystemet af HMD er på linje med koordinatakserne i MCS.
  3. Justere billedet af molekylet vist som en visuel hjælp i VRinterface med orienteringen af ​​det reelle molekyle, der skal manipuleres i eksperiment.
    1. Juster HMD langs dens koordinatsystem og orientere det sådan, at synspunkt er over referenceværdien molekyle. Juster henvisningen molekyle i VRinterface til det afbildede molekyle i SPM software ved at trykke på de relevante knapper på tastaturet for at rotere det med uret eller mod uret.
  4. Kontroller, om v x -, v y -, er v z -voltages af RVS sat til 0 V, og nulstille dem, hvis nødvendigt (3.5.1).
  5. Scanne PTCDA molekylet valgt til manipulation med STM i konstant aktuelle tilstand.
  6. Placer spidsen over carboxylsyre oxygenatom valgt til manipulation anvendelse af den passende funktion af SPM software. Brug den korrekte kontaktpunkt som blev bestemt i 5.4.
    7. <li> Aktiver PLL og indstil amplitude kontrol tilstand. Indstil oscillation amplitude så lavt som muligt (f.eks 0,2-0,4 Å), men høj nok til, at Af-detektion er mulig med acceptable støjforhold og detektion hastighed (se 2.1).
  7. Åbn FB loop. Indtast 0 til integrator værdi i SPM software parameter vindue.
  8. Indstil junction forspænding til et par mV i SPM software parameter vindue. Indtast 0,007 anvende 7 mV til overfladen.
  9. Indstil den aktuelle forstærkning til 1 x 10 7 V / A i SPM software parameter vindue.

7. Brug HCM for kontrollerede Manipulation af PTCDA

  1. Sæt på HMD og tage TO. Hvis det er nødvendigt, flytte HMD på brugerens hoved, mens de udfører de følgende trin for at enten se VR scene eller lab miljø, tastatur og computerskærm.
  2. Indstil farvekontrast af de registrerede baner til at logge (I (x, y, z)) i VRinterface ved at trykke på Button.
  3. Marker kontaktpunkt i 3D virtuelle scene. Denne "anker" er med til at finde kontakten nemt for yderligere forsøg på manipulation ved hjælp HCM uden at skulle nulstille RVS.
    1. Aktiver hånd-kontrol langs z-aksen kun ved at markere det tilsvarende afkrydsningsfelt i tip-software samtidig holde x-, y-afkrydsningsfelter ukontrolleret.
    2. Flyt til ned mens du ser I (0,0, z) og Af-(0,0, z) i realtid signaler i den virtuelle scene. Stop flytte til, når I (0,0, z) og Af-(0,0, z) signaler viser en samtidig skarp spring, underskrift af en kontakt formation (se figur 8).
    3. Start bane optagelse i VRinterface ved at trykke på den tilhørende knap og begynde at bevæge den op.
    4. Stop bane optagelse i VRinterface så snart kontakten mellem molekyle og tip brud ved at trykke på den tilhørende knap. Signaturen er en samtidig kraftig nedgang af I (x, y, z) og Af-(x, y, z) signaler.
    5. Presse & #34; pause "knappen i spidsen software til at deaktivere hånd-kontrol.
  4. Aktiver hånd-kontrol af spidsen bevægelse langs alle rumlige akser ved at kontrollere x-, y-, z-afkrydsningsfelter i softwaren og tryk på knappen "start" i spidsen software.
  5. I tilfælde kontaktpunktet dannelse afviger fra den ene "forankret" i den virtuelle scene efter en manipulation (på grund af afdrift eller ændring af spidsen apex) korrigere spidsen position og spidsen tilstand, hvis det er nødvendigt.
    1. Flyt spidsen tilbage til sin oprindelige position, før starthånd-kontrol ved at flytte TO mens du ser bevægelsen af ​​den hvide kugle i den virtuelle scene.
    2. Tryk på "pause" -knappen i spidsen software til at deaktivere hånd-kontrol.
    3. Tryk på "nulstille alle" knappen i spidsen software til at nulstille v x -, v y -, v z -voltages af RVS til 0 V.
    4. Sæt STM tilbage i konstant nuværende tilstand med de parametre, der letter LUMO contrast for PTCDA (se 1.2.4).
    5. Scan igen valgt til manipulation molekyle og placer spidsen på den korrekte placering over den valgte carboxylsyre iltatom (bestemt i 5.4) ved hjælp af setup-specifikke funktioner i SPM software. Hvis det er nødvendigt, forbereder spidsen på en nærliggende placering (<300 Å væk) for at reducere den resterende piezo krybning.
    6. Genstart protokol ved trin 7.1.
  6. Prøve at finde en vellykket løft bane, hvor den kontaktede molekyle er fuldstændig frigjort fra overfladen ved slutningen af ​​banen.
    1. Nærmer det punkt, hvor "anker" udviste dannelse af spidsen-molekylet kontakt ved at flytte TO mens efter bevægelsen af ​​kuglen repræsenterer den aktuelle spids position i den virtuelle scene. Så snart kontakten er dannet starte optagelsen af ​​en ny bane i VRinterface.
    2. Træk molekylet i en retning egnet til løft (figur 10) ved at bevæge TO tilsvarende. Hvisder registreres en brud på tip-molekylet kontakt, stoppe optagelsen bane. Retur til kontaktpunktet, start bane optagelse på kontakt dannelse og udføre en anden manipulation.
    3. Skift til Af-(x, y, z) farve kontrast af de optagede baner ved at trykke på den relevante knap i VRinterface på større afstande fra overfladen (på omkring 7 Å med nuværende forstærker gevinst 10 7 V / A), fordi jeg (x, y, z) signal henfalder hurtigt væk fra overfladen. Her △ f (x, y, z) bliver den eneste indikator for tilstedeværelsen af molekylet (se figur 1). Når molekylet-tip kontakten er tabt, △ f (x, y, z) springer (tæt) til nul og ændrer sig ikke længere selv på nærmer overfladen for 1-3 Å.
    4. Hvis spidsen-molekylet kontakt er stadig stabilt på z> 10 Å, se ud for en signatur i Af-(x, y, z), hvor det viser en glidende overgang til nul på at trække molekylet væk fra overfladen. Dette er signaturen for successful ophævelse af molekylet (se figur 1).
    5. Test hvis molekylet adskilles fuldstændigt fra overfladen og hængende på spidsen.
      1. Flyt op for at kontrollere, om Af-(x, y, z) forbliver på nul på yderligere tip tilbagetrækning.
      2. Flyt til ned at se, om delta f (x, y, z) stiger på nærmer overfladen for 1-3 Å forbi højdepositionen hvor signaturen for vellykket løft blev detekteret.
  7. Depositum den løftede molekyle til en ren Ag (111) overfladeareal.
    1. Efter vellykket løft, flyt TO op at trække spidsen yderligere 10-20 Å fra overfladen. Dette reducerer ingen interaktion mellem den løftede molekyle med overfladen.
    2. Tryk på "pause" -knappen i spidsen software til at løse den aktuelle spids position og til at deaktivere hånd-kontrol.
    3. Uden at dreje FB loop på, bruge setup-specifikke funktion af SPM software til at placere spidsen i rent Ag (111) overflade nogle distance (f.eks 50-100 Å) fra øen, hvor molekylet blev ekstraheret. Vælg "SetXYOffset - Top", og derefter klikke på det respektive billede.
    4. Sæt strøm forstærkning til 1 x 10 9 V / A.
    5. Tjek kun z-afkrydsningsfeltet i spidsen software og tryk på "start" knappen i spidsen software.
    6. Flyt TO at nærme sig overfladen, indtil en målbar I (z) vises.
    7. Tryk på "pause" -knappen i spidsen software til at deaktivere hånd-kontrol.
    8. Gradvis stigning Vb (max. Vb ≈ 0,5 V, ved højere Vb molekyle kan blive beskadiget) ved anvendelse af en skyder muse-kontrolleret i SPM software, indtil der er en samtidig spring i I og △ f hvilket indikerer, at molekylet faldt til overfladen. Hvis molekylet ikke kan re-deponeret, spidsen skal rengøres til yderligere forsøg, fx ved spændingsimpulser (1.2.5).
    9. Scan det område, konstant strøm 'tilstand (1.2.4) og kontrolom molekylet faktisk blev deponeret tilbage på overfladen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bemærk: Denne del viser arbejde offentliggjort i 7,8.

Anvendelse HCM på problemet med at løfte PTCDA / Ag (111) ud af et lag, var vi i stand til at skrive et mønster ved sekventielt at fjerne enkelte molekyler (figur 9). I alt blev 48 molekyler fjernet, hvoraf 40 kunne redeposited til den rene Ag (111), hvilket viser, at molekylerne forblive intakt under manipulation proces. Dette gør det muligt at bruge HCM at rette "skrivefejl" ved at tage et molekyle fra et andet sted og udfylde en utilsigtet skabt stillingsopslag (mellemværker af figur 9) 7.

Succesfulde baner, der tillod at fjerne et molekyle fra laget vises i figur 10. De bundt i en relativ smal rumvinkel, retningenaf hvilket antyder, at molekylet kan fjernes fra det indre af lag i en "peeling" bevægelse. Denne peeling letter en gradvis spaltningen af intermolekylære H-bindinger og holder de samlede kræfter, der virker på spidsen-molekylet binding under en kritisk tærskel 7.

VR tilbagemelding gør det muligt at udføre flere reproducerbare manipulationer, hver gang efter samme tidligere optaget bane. Reproducerbarhed er angivet med store ligheder i I (x, y, z) og Af-(x, y, z) Dataene i figur 11. Fordi formen af ​​banen afhænger også af den nøjagtige form af spidsen apex vi udfører et forsøg, hvor en og samme molekyle manipuleres langs lignende baner opretholder den samme spids spids struktur. En uændret tip form er verificeret af reproducerbarheden af ​​kontaktpunktet mellem løft forsøg. Molekylet er ikke helt trukket ud af laget, menhver gang tilbage til sin ledig efter optagelsen er stoppet (så længe bindingen ikke brød af sig selv), at sænke sandsynligheden for at udløse en ændring i spidsen som følge af høje kræfter under fuldstændig fjernelse. Figur 11 viser 3D baner af et sådant eksperiment, hvor molekylet blev gentagne gange trækkes langs to baner 8.

figur 1
Figur 1. Illustration af manipulation proces. (A) Udvinding af et enkelt PTCDA molekyle fra en ø ved at kontakte manipulation (fire tip apex atomer er vist). (B) Eksempel I (z) og Af-(z) kurver er taget under udvinding af et molekyle af HCM. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 1
Figur 6. STM billede af en kompakt PTCDA ø på Ag (111). Billedstørrelsen er 600 x 600 Å 2 og tunneling betingelser er I = 0.1 nA og V b = -0,35 V. Et tomrum set i filmen er den resultat af udvinding af tre molekyler. Ekstraherede molekyler blev re-deponeret tilbage på overfladen (nederste venstre hjørne af billedet). Det indsatte viser en 50 x 30 Å 2 STM billede, der afslører den typiske kontrast PTCDA der stammer fra det laveste ubesatte molekylære orbital (LUMO). De reaktive carboxyliske oxygenatomer af PTCDA, der anvendes til kontakt med molekylet er markeret med to røde kors. Den molekylære orientering kan afledes ifølge Ref. 17.ove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 1
Figur 7. Frekvensgang spektrum. Vist er frekvensgangen af stemmegaffel sensor (TFS) målt i UHV og ved 5 K. Tilsvarende Q-faktor værdi ca. 70.000. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 1
Figur 8. I (z) kurver registreres under prøven af tip-molekylet kontakt. Kontakten etableres ved at nærme spidsen mod en af decarboxylsyre ilt atomer af PTCDA. Tilgangen afstand Az ved stabiliseringen punkt I = 0,1 nA, V b = -0,35 Vis omkring 4 Å. Begge blev tilgang (sort) og tilbagetrækning (rød) kurver optaget med bias V b = -5 mV. Skarp hoppe observeret ved z = 0 Å i tilgangen kurve opstår på grund af oxygenatomet i PTCDA snapping til spidsen og danner tip-molekylet kontakt. Efter kontakten blev dannet spidsen blev trukket lodret tilbage til sin oprindelige position. Da spidsen blev tilbagetrukket sin kontakt til molekylet bristede ved z = 0,3 Å. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 1
Figur 9. Eksempel for nano-strukturering af en molekylær lag af HCM. STM billede (stabilization punkt: I = 0,1 A, V b = -0,35 V) viser 47 ledige stillinger skabt af fortløbende fjerne individuelle PTCDA molekyler ved HCM uden brug af 3D virtual reality visuel feedback. De mellemværker viser en sekvens af manipulationer gjort for at korrigere en "skrive fejl", den ledige stilling ved et molekyle fjernet fra øen kant. (Tilpasset fra ref. 7) Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 1
Figur 10. Et perspektiv viser 34 manipulation baner, som alle førte til en vellykket fjernelse af PTCDA fra monolag. Alle baner blev registreret samtidig skabe mønsteret vist i figur 9. The indsatte viser en projektion af en 7 Å radius sfære omkring kontakt punkt og angiver, hvor vellykket (rød) og mislykkede (sort) baner trænge dette område. Alle succesfulde baner koncentreres i et relativt snævert rumvinkel Ω (tilpasset fra ref. 7). Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 1
Figur 11. Manipulation bane raffinement og reproducerbarhed. Fremskrivning af 3D tip baner optaget med HCM med 3D virtual reality visuel feedback på et molekyle i en PTCDA / Ag (111) ø. Det indsatte i (a) viser tre forsøg på manipulation udført af forsøgslederen i jagten på den (succesfulde) knæk bane shegne i (a) og (b). Den grå kurve er bane opnået fra gennemsnittet af de baner, der er vist i figur 10. Top og side visninger af syv forsøg på manipulation efter den gennemsnitlige bane (ingen succes) og syv forsøg langs en nyligt fundet knæk bane (alle succesfulde). Farvekodning viser (a) log (I (x, y, z)) og (b) delta f (x, y, z). (Tilpasset fra ref. 8) Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ligesom andre SPM-baserede metoder, de molekylære manipulation beskrevne eksperimenter i dette dokument også afhænge i nogen grad på egenskaberne af SPM spids. Spidsen spids struktur (som ikke kan kontrolleres fuldt ud) bestemmer styrken af ​​spidsen-molekylet binding. Derfor styrken af ​​tip-molekylet kontakt kan variere betydeligt og således undertiden kan være for lav. Derfor henviser vi til nogle grundlæggende test af tip kvalitet og drikkepenge behandlingsprocedurer i protokollen. Dog kan være påkrævet en mere alvorlig tip behandling i nogle tilfælde at opnå tilfredsstillende manipulation resultater.

Et andet kritisk aspekt af kontakt manipulation med en NC-AFM / STM er svingningerne i den qPlus sensoren under manipulation. Med stigende amplitude bliver kontrolleret manipulation vanskeligere, da den stemmegaffel bevæger spidsen lodret op og ned med i alt 2A 0. I grænsen af ​​store amplituder spidsen eraltid tilbagetrukket fra overfladen langs en lodret bane, som afgørende påvirker manipulation. Derfor, hvis støj egenskaber brugte NC-AFM / STM ikke tillader at arbejde med amplituder langt under 1 Å bør man overveje at prøve manipulation i STM-tilstand, dvs. uden spændende at stemmegaffel. Selv om der kan opnås nogen information om krydset stivhed i dette tilfælde kan ledningsevnen alene være tilstrækkeligt til at overvåge manipulation.

Anvendelsen af ​​HMD til visualisering af spidsen bane data har fordele, men også begrænsninger. En klar fordel er gevinsten i præcision og intuition (i realtid!), Hvis man arbejder i et ægte 3D virtuelt scene miljø. I den forbindelse finder vi det virtual reality tilgang til at være langt mere effektiv end "offline" inspektion af banen data på en standard display. På den anden side bærer HMD komplicerer drift med lab-udstyr, således atden vigtige måledata skal projiceret ind i VR (se figur 6), der skal ses online. Denne begrænsning kan i fremtiden blive overvundet med augmented virtual reality grænseflader, hvor 3D virtual reality scene er direkte oven over reelle billede af laboratoriemiljø.

Selv om der findes andre tilgange, som parret en virtual reality miljø og MCS at kontrollere en AFM disse opsætninger er angivet for mikro- og sub-mikrometer skala manipulation under omgivende forhold 18. Med hensyn til manipulation af individuelle molekyler med atomar præcision vores kombination af MCS, HMD, og ​​LT-SPM er unik. Håndbetjening manipulation giver en unik intuitiv adgang til problemet med molekylær manipulation. Med niveau af kontrol tilbudt, kan man udføre spektroskopiske studier af enkelte molekyler i forskellige konfigurationer, forståelse mere om den grundlæggende fysiks i sådanne metal-molekyle-metal vejkryds. Brug af metoden beskrevet i dette papir vil tillade en at "lære" de komplekse potentielle energi overflader, som bestemmer sandsynligheden for succes af en specifik manipulation forsøg. Have erhvervet tilstrækkelig intuition kunne uddelegere at lære at en computer, endelig automatisere manipulation proces. En anden konsekvens fremtidige udvikling af metode er dens kombination med en atomistisk realtid simulering af manipulation proces, som ville tillade en endnu mere direkte feedback til forsøgslederen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
LN2 caution: cryogenic liquid
LHe caution: cryogenic liquid
PTCDA caution: irritating substance
Knudsen cell (K-cell) custom
ErLEED Specs used with power supply ErLEED 1,000 A
combient LT NC-AFM/STM Createc
qPlus sensor Createc TFS
preamplifier Createc amplifier for tuning fork signal fixed to LN2 shield (stage 1)
Low-Noise Voltage Preamplifier Standford Research System SR560 external amplifier for tuning fork signal (stage 2)
Variable Gain Low Noise Current Amplifier Femto DLPCA-200 amplifier for tunneling current
Bonita Vicon B10, SN: MXBN-0B10-3658 MCS IR camera
Apex Interaction Device Vicon SN: AP0062 MCS trackable object (TO)
MX Calibration Wand Vicon MCS calibration object
Tracker Vicon MCS software
BS series voltage supply stahl-electronics BS 1-4 RVS
summing amplifier  custom, gain 1, based on operational amplifier TL072
Oculus Rrift Development Kit 2 Oculus VR HMD
TipControl custom-written software
VRinterface custom-written software

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Barth, J. V., Costantini, G., Kern, K. Engineering atomic and molecular nanostructures at surfaces. Nature. 437, 671-679 (2005).
  2. Otero, R., Rosei, F., Besenbacher, F. Scanning tunneling microscopy manipulation of complex organic molecules on solid surfaces. Annu. Rev. Phys. Chem. 57, 497-525 (2006).
  3. Urgel, J. I., Ecija, D., Auwärter, W., Barth, J. V. Controlled Manipulation of Gadolinium Coordinated Supramolecules by Low-Temperature Scanning Tunneling Microscopy. Nano Lett. 14, 1369-1373 (2014).
  4. Fournier, N., Wagner, C., Weiss, C., Temirov, R., Tautz, F. S. Force-controlled lifting of molecular wires. Phys. Rev. B. 84, 035435 (2011).
  5. Wagner, C., Fournier, N., Tautz, F. S., Temirov, R. Measurement of the Binding Energies of the Organic-Metal Perylene-Tetracarboxylic-Dianhydride/Au(111) Bonds by Molecular Manipulation Using an Atomic Force Microscope. Phys. Rev. Lett. 109 (7), 076102 (2012).
  6. Wagner, C., et al. Non-additivity of molecule-surface van der Waals potentials from force measurements. Nat. Commun. 5, 5568 (2014).
  7. Green, M. F. B., et al. Patterning a hydrogen-bonded molecular monolayer with a hand-controlled scanning probe microscope. Beilstein Journal of Nanotechnology. 5, 1926-1932 (2014).
  8. Leinen, P., et al. Virtual reality visual feedback for hand-controlled scanning probe microscopy manipulation of single molecules. Beilstein J. Nanotechnol. 6, 2148-2153 (2015).
  9. Wagner, C., et al. Scanning Quantum Dot Microscopy. Phys. Rev. Lett. 115 (2), 026101 (2015).
  10. Mura, M., et al. Experimental and theoretical analysis of H-bonded supramolecular assemblies of PTCDA molecules. Phys. Rev. B. 81 (19), 195412 (2010).
  11. Besocke, K. An easily operable scanning tunneling microscope. Surf. Sci. Lett. (1-2), 145-153 (1987).
  12. Giessibl, F. J. Advances in atomic force microscopy. Rev. Mod. Phys. 75 (3), 949-983 (2003).
  13. Albrecht, T. R., Grütter, P., Horne, D., Rugar, D. Frequency modulation detection using high-Q cantilevers for enhanced force microscope sensitivity. J. Appl. Phys. 69 (2), 668-673 (1991).
  14. Temirov, R., Lassise, A., Anders, F. B., Tautz, F. S. Kondo effect by controlled cleavage of a single-molecule contact. Nanotechnology. 19 (6), 065401 (2008).
  15. Glöckler, K., et al. Highly ordered structures and submolecular scanning tunnelling microscopy contrast of PTCDA and DM-PBDCI monolayers on Ag(111) and Ag(110). Surf. Sci. 405 (1), 1-20 (1998).
  16. Simon, G. H., Heyde, M., Rust, H. -P. Recipes for cantilever parameter determination in dynamic force spectroscopy: spring constant and amplitude. Nanotechnology. 18 (25), 255503 (2007).
  17. Rohlfing, M., Temirov, R., Tautz, F. S. Adsorption structure and scanning tunneling data of a prototype organic-inorganic interface PTCDA on Ag (111). Phys. Rev. B. 76 (11), 115421 (2007).
  18. Guthold, M., et al. Controlled Manipulation of Molecular Samples with the nanoManipulator. IEEE/ASME Trans. Mechatronics. 5 (2), 189-198 (2000).

Tags

Engineering STM NC-AFM single-molekyle manipulation virtual reality-interface PTCDA 3D-visualisering nanoteknologi
Hand Kontrolleret Manipulation af enkelte molekyler via en Scanning Probe mikroskop med en 3D Virtual Reality-grænseflade
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Leinen, P., Green, M. F. B., Esat,… More

Leinen, P., Green, M. F. B., Esat, T., Wagner, C., Tautz, F. S., Temirov, R. Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface. J. Vis. Exp. (116), e54506, doi:10.3791/54506 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter