Hand kontrollierte Manipulation einzelner Moleküle über ein Rastersondenmikroskop mit einer 3D-Virtual-Reality-Schnittstelle

Das übergeordnete Ziel der handgesteuerten Manipulation einzelner Moleküle mit dem Rastersondenmikroskop ist die systematische und intuitive Erforschung von Manipulationsprotokollen in drei Dimensionen. Diese Methode erweitert unsere Fähigkeiten im Bereich der molekularen Nanotechnologie. Zum Beispiel, um Manipulationsprotokolle für Moleküle systematisch zu verfeinern und intermolekulare Richtungen zu untersuchen oder sogar komplexe supermolekulare Strukturen herzustellen.

Der Hauptvorteil dieser Technik ist ihre intuitive Natur. Der Experimentator bricht mit der Programmierung automatisch ausgeführter Spitzenbahnen. Und beteiligt sich direkt am Manipulationsprozess.

Die Ausdehnung der Molekülmanipulation auf die dritte Dimension und die Loslösung von der Oberfläche eröffnet viele neue Möglichkeiten, aber gleichzeitig ergibt sich unweigerlich die Notwendigkeit einer 3D-Visualisierungssteuerung. Richten Sie das Niedertemperatur-Rastersondenmikroskop ein, das von der Hand des Experimentators in 3D gesteuert wird, unter Verwendung eines Motion-Capture-Systems, wie im Textprotokoll beschrieben. Bereiten Sie auch eine Probe vor, indem Sie PTCDA auf Silber eins eins abscheiden, wie im Textprotokoll beschrieben.

Stellen Sie das Rastertunnelmikroskop oder STM mit den Parametern in den Konstantstrommodus, die den LUMO-Kontrast für PTCDA erleichtern. Damit kann man die molekulare Orientierung bestimmen. Geben Sie in der SPM-Software die Parameter für den Scan ein, einschließlich des zu scannenden Bereichs, der Sollwerte für die Rückkopplungsschleife und der Scangeschwindigkeit.

Klicken Sie in der SPM-Software auf die Schaltfläche Start, um ein Image der PTCDA zu erstellen. Nachdem Sie die Oberfläche gefunden haben, die für die Manipulation geeignet ist, wie im Textprotokoll beschrieben, erstellen Sie ein Übersichtsfenster und passen Sie den zu scannenden Bereich und die Scangeschwindigkeit an. Um ein detailliertes STM einer kleinen Region zu erfassen.

Testen Sie als Nächstes die Fähigkeit der Spitze, an das PTCDA-Molekül zu binden. Bereiten Sie dann die Aufnahme eines Stromabstandsspektrums vor, in dem die Spitze vertikal in Richtung der carbonsäurehaltigen Sauerstoffatome von PTCDA um drei bis fünf Ångström bewegt wird. I als Funktion von Z wird aufgezeichnet, indem eine konstante Vorspannung eingestellt und eine Rampe der Spitzenhöhe definiert wird, um sich der Oberfläche zu nähern und sie von der Oberfläche zurückzuziehen.

Klicken Sie dann in der SPM-Software auf die Schaltfläche Einzelspektrum und wählen Sie eine Position auf dem zuletzt aufgenommenen STM-Bild über den Carboxylsauerstoffatomen des PTCDA-Moleküls aus, die zur Manipulation ausgewählt wurden. Wo das aktuelle Entfernungsspektrum aufgezeichnet werden soll. Um zu überprüfen, ob sich die Spitze in einem ordnungsgemäßen Zustand befindet, stellen Sie sicher, dass die aufgezeichnete Stromabstandskurve eine Kontaktbildung zwischen der Spitze und dem Molekül in Form eines starken Anstiegs des Stroms zeigt.

Typischerweise ist der Kontakt stark genug, um 0,5 bis drei Angström durch vertikales Zurückziehen der Spitze anzuheben, wonach der Strom abrupt abfällt, wenn die Bindung reißt. Nachdem Sie das für die Manipulation ausgewählte PTCDA-Molekül erneut gescannt haben, positionieren Sie die Spitze über dem für die Manipulation ausgewählten Carboxylsauerstoffatom, indem Sie Set X, Y Offset top auswählen und dann in das entsprechende Bild klicken. Verwenden Sie den richtigen Kontaktpunkt, wie bereits überprüft.

Aktivieren Sie den Phasenregelkreis und stellen Sie den Amplitudensteuerungsmodus ein. Stellen Sie die Schwingungsamplitude so niedrig wie möglich, aber hoch genug ein, so dass eine Delta-F-Detektion bei akzeptablen Rauschbedingungen und Detektionsgeschwindigkeit möglich ist. Öffnen Sie die Rückkopplungsschleife und geben Sie Null für den Integratorwert im Parameterfenster der SPM-Software ein.

Stellen Sie dann die Sperrschichtvorspannung im Parameterfenster der SPM-Software auf einige Millivolt ein. Stellen Sie abschließend die Verstärkung des Stromverstärkers auf eins mal 10 bis 7 Volt pro Ampere im Parameterfenster der SPM-Software ein. Setzen Sie das Head-Mounted-Display oder HMD auf und nehmen Sie das verfolgbare Objekt.

Positionieren Sie das HMD bei Bedarf neu auf dem Kopf des Benutzers, während Sie die folgenden Schritte ausführen, um entweder die Virtual-Reality-Szene oder die Laborumgebung, die Tastatur und den Computermonitor anzuzeigen. Der nächste Schritt besteht darin, den Kontaktpunkt in der virtuellen 3D-Szene zu markieren. Dieser Anker hilft dabei, den Kontakt für weitere Manipulationsversuche durch handgesteuerte Manipulation leicht zu finden, ohne dass die fernsteuerbare Mehrkanal-Spannungsquelle zurückgesetzt werden muss.

Aktivieren Sie dazu die Handsteuerung entlang der z-Achse nur, indem Sie das entsprechende Kontrollkästchen in der Tippsoftware aktivieren, während Sie die Kontrollkästchen X und Y deaktiviert lassen. Bewegen Sie das verfolgbare Objekt nach unten, während Sie die aktuellen und Delta-f-Echtzeitsignale beobachten, die in der virtuellen Szene in Grün und Pink angezeigt werden. Stoppen Sie die Bewegung des verfolgbaren Objekts, wenn das Strom- und das Delta-f-Signal gleichzeitig einen scharfen Sprung anzeigen.

Die Unterschrift einer Kontaktformation. Starten Sie die Bahnaufzeichnung in der VR-Oberfläche, indem Sie auf die entsprechende Schaltfläche klicken und das verfolgbare Objekt nach oben bewegen. Stoppen Sie die Bahnaufzeichnung in der VR-Oberfläche, indem Sie auf die entsprechende Schaltfläche klicken, sobald der Kontakt zwischen dem Molekül und der Spitze reißt.

Die Signatur ist ein gleichzeitiger starker Abfall des Strom- und des Delta-f-Signals. Klicken Sie auf die Pause-Schaltfläche in der Tipp-Software, um die Handsteuerung zu deaktivieren. Aktivieren Sie die Handsteuerung der Spitzenbewegung entlang aller Raumachsen, indem Sie die Kontrollkästchen X, Y und Z in der Software aktivieren und auf die Startschaltfläche in der Spitzensoftware klicken.

Versuchen Sie, eine erfolgreiche Hebebahn zu finden, bei der sich das kontaktierte Molekül am Ende der Flugbahn vollständig von der Oberfläche löst. Um dies zu tun, nähern Sie sich dem Punkt, an dem der Anker die Bildung des Spitzenmolekülkontakts zeigte, indem Sie das verfolgbare Objekt bewegen, während Sie der Bewegung der Kugel folgen, die die aktuelle Spitzenposition in der virtuellen Szene darstellt. Sobald der Kontakt gebildet ist, beginnen Sie mit der Aufzeichnung einer neuen Trajektorie in der VR-Schnittstelle.

Ziehen Sie das Molekül in eine Richtung, die zum Anheben geeignet ist, indem Sie das verfolgbare Objekt entsprechend bewegen. Wenn ein Bruch des Kontakts mit dem Spitzenmolekül festgestellt wird, beenden Sie die Aufzeichnung der Flugbahn. Kehren Sie zum Kontaktpunkt zurück, starten Sie die Trajektorienaufzeichnung bei der Kontaktbildung und führen Sie eine andere Manipulation aus.

Wiederholen Sie diese Sequenz, bis das Heben erfolgreich war. Wenn der Kontakt des Spitzenmoleküls bei Z noch stabil ist und größer als 10 Ångström ist, ist dies die Signatur für ein erfolgreiches Anheben des Moleküls. Um sicherzustellen, dass sich das Molekül auf der Spitze befindet, nähern Sie sich erneut der Oberfläche.

Ein sanfter Anstieg von delta-f, der während des Anflugs auftritt, während die Spitze noch weit von der Oberfläche entfernt ist, deutet darauf hin, dass das Molekül an der Spitze befestigt und senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet ist. Bewegen Sie nach erfolgreichem Anheben das verfolgbare Objekt nach oben, um die Spitze weitere 10 bis 20 Angström von der Oberfläche zurückzuziehen. Dadurch wird eine Wechselwirkung des angehobenen Moleküls mit der Oberfläche reduziert.

Korrigieren Sie die Spitzenhöhe, indem Sie das Markierungsfeld Z deaktivieren und die Spitze mit der Handsteuerung zurück auf die ursprünglichen X- und Y-Koordinaten verschieben. Deaktivieren Sie das Kontrollkästchen X oder Y, sobald die jeweilige Koordinate nahe Null ist. Klicken Sie in der Tippsoftware auf den Pause-Button, um die aktuelle Spitzenposition zu fixieren und die Handsteuerung zu deaktivieren.

Ohne die Rückkopplungsschleife einzuschalten, wählen Sie Set X Y Offset Top und klicken Sie dann in das entsprechende Bild, um die Spitze über der sauberen silbernen Oberfläche 50 bis 100 Ångström von der Insel entfernt zu positionieren, auf der das Molekül extrahiert wurde. Stellen Sie dann die Verstärkung des Stromverstärkers auf eins mal 10 bis 9 Volt pro Ampere ein. Deaktivieren Sie die Kontrollkästchen X und Y in der Tipp-Software und klicken Sie auf die Schaltfläche Start.

Bewegen Sie das verfolgbare Objekt so, dass es sich der Oberfläche nähert, bis ein messbarer Strom angezeigt wird. Klicken Sie in der Tipp-Software auf den Pause-Button, um die Handsteuerung zu deaktivieren. Erhöhen Sie schrittweise die Vorspannung, indem Sie einen mausgesteuerten Schieberegler in der SPM-Software verwenden, bis es zu einem gleichzeitigen Sprung von Strom und Delta-f kommt, was anzeigt, dass das Molekül auf die Oberfläche gefallen ist.

Scannen Sie den Bereich im Konstantstrommodus und prüfen Sie, ob sich das Molekül tatsächlich wieder auf der Oberfläche abgelagert hat. Scannen Sie abschließend den Bereich in der Region, in dem das Molekül extrahiert wurde, um die entstandene Lücke zu untersuchen. Hier ist ein Beispiel für die Nanostrukturierung einer molekularen Schicht durch handgesteuerte Manipulation zu sehen.

Die Serie der STM-Bilder zeigt die sequentielle Entstehung von 47 Leerstellen durch aufeinanderfolgende Entfernung einzelner PTCDA-Moleküle aus einer geschlossenen Schicht. Diese Animation zeigt 34 Manipulationsverläufe, die alle zur erfolgreichen Entfernung von PTCDA aus der Monoschicht geführt haben. Hier ist eine Animation von 3D-Spitzenbahnen, die die Verfeinerung und Reproduzierbarkeit der Flugbahn durch handgesteuerte Manipulation demonstrieren.

Die graue Kurve stellt eine anfängliche Referenz dar, die sich aus der Mittelung der in der vorherigen Animation gezeigten Trajektorien ergibt. Die farbigen Kurven sind sieben Manipulationsversuche entlang der Referenztrajektorie, die alle erfolglos waren, und sieben erfolgreiche Versuche entlang einer neu gefundenen geknickten Trajektorie. Unsere Methode der handgesteuerten Manipulation lässt sich leicht auf neue Manipulationsaufgaben oder auf neue Moleküle anwenden.

Ohne die Notwendigkeit, kostspielige Simulationen durchzuführen. Einmal gemeistert, kann die handgesteuerte Manipulation verwendet werden, um einzelne Moleküle in Konfigurationen zu untersuchen, die sonst nicht zugänglich wären. Die Durchführung solcher Experimente kann unser Verständnis der grundlegenden Prozesse, die in solchen Metallmolekül-Metallverbindungen ablaufen, erheblich erweitern.

Bei der handgesteuerten Manipulation unterliegt der Experimentator einem Lernprozess. Später beabsichtigen wir, dieses Lernen zu formalisieren und schließlich an einen Computer zu delegieren.