Manipulation de l'unité Molécules contrôlée main via un microscope à balayage de la sonde avec une interface de réalité virtuelle 3D

L’objectif global de la manipulation manuelle de molécules individuelles avec le microscope à sonde à balayage est l’exploration systématique et intuitive des protocoles de manipulation en trois dimensions. Cette méthode élargit nos capacités dans le domaine de la nanotechnologie moléculaire. Par exemple, nous permettant d’affiner systématiquement les protocoles de manipulation des molécules et d’étudier les directions intermoléculaires ou encore de fabriquer des structures supermoléculaires complexes.

Le principal avantage de cette technique est son caractère intuitif. L’expérimentateur brise le moule de la programmation des trajectoires de pointes exécutées automatiquement. Et s’engage directement dans le processus de manipulation.

L’extension de la manipulation des molécules à la troisième dimension et le détachement de la surface ouvrent de nombreuses nouvelles opportunités, mais en même temps, l’exigence d’un contrôle de visualisation 3D émerge inévitablement. Installez le microscope à sonde à balayage à basse température piloté en 3D par la main de l’expérimentateur, à l’aide d’un système de capture de mouvement tel que décrit dans le protocole texte. Préparez également un échantillon en déposant du PTCDA sur de l’argent un, comme décrit dans le protocole texte.

Réglez le microscope à effet tunnel ou le STM en mode courant constant avec les paramètres qui facilitent le contraste LUMO pour PTCDA. Cela permet de déterminer l’orientation moléculaire. Dans le logiciel SPM, entrez les paramètres du balayage, y compris la zone à numériser, les points de consigne pour la boucle de rétroaction et la vitesse de balayage.

Cliquez sur le bouton de démarrage dans le logiciel SPM pour créer une image du PTCDA. Après avoir trouvé la surface appropriée pour la manipulation comme décrit dans le protocole texte, créez une fenêtre d’aperçu et ajustez la zone à numériser et la vitesse de numérisation. Afin d’enregistrer un STM détaillé d’une petite région.

Ensuite, testez la capacité de l’embout à se lier à la molécule PTCDA. Ensuite, préparez-vous à enregistrer un spectre de distance de courant dans lequel la pointe est déplacée verticalement vers les atomes d’oxygène carboxyliques de PTCDA de trois à cinq angströms. I, en fonction de Z, est enregistré en fixant une tension de polarisation constante et en définissant une rampe de hauteur de pointe pour approcher et rétracter la pointe de la surface.

Cliquez ensuite sur le bouton spectre unique dans le logiciel SPM, et sélectionnez une position sur l’image STM la plus récemment enregistrée au-dessus des atomes d’oxygène carboxyliques de la molécule PTCDA sélectionnée pour la manipulation. Où le spectre de distance actuelle doit-il être enregistré. Pour vérifier si la pointe est en bon état, vérifiez que la courbe de distance de courant enregistrée présente une formation de contact entre la pointe et la molécule sous la forme d’une forte augmentation du courant.

En règle générale, le contact est assez fort pour 0,5 à trois angströms, se soulevant par rétraction verticale de la pointe, après quoi le courant chute brusquement lorsque le lien se rompt. Après avoir balayé à nouveau la molécule PTCDA sélectionnée pour la manipulation, positionnez la pointe sur l’atome d’oxygène carboxylique choisi pour la manipulation en sélectionnant l’ensemble X, Y décalé en haut, puis en cliquant dans l’image respective. Utilisez le bon point de contact comme cela a été vérifié précédemment.

Activez la boucle à verrouillage de phase et réglez le mode de contrôle de l’amplitude. Réglez l’amplitude d’oscillation aussi faible que possible, mais suffisamment élevée pour que la détection delta-F soit possible dans des conditions de bruit et une vitesse de détection acceptables. Ouvrez la boucle de rétroaction et entrez zéro pour la valeur de l’intégrateur dans la fenêtre des paramètres du logiciel SPM.

Ensuite, réglez la polarisation de jonction sur quelques millivolts dans la fenêtre des paramètres du logiciel SPM. Enfin, réglez le gain actuel de l’amplificateur sur une fois 10 puissance 7 volts par ampère dans la fenêtre de paramètres de valeur du logiciel SPM. Mettez l’afficheur monté sur la tête ou HMD puis prenez l’objet traçable.

Si nécessaire, repositionnez le HMD sur la tête de l’utilisateur tout en effectuant les étapes suivantes pour afficher la scène de réalité virtuelle ou l’environnement du laboratoire, le clavier et l’écran de l’ordinateur. L’étape suivante consiste à marquer le point de contact dans la scène virtuelle 3D. Cette ancre permet de trouver facilement le contact pour d’autres tentatives de manipulation à l’aide d’une manipulation manuelle sans qu’il soit nécessaire de réinitialiser la source de tension multicanal contrôlable à distance.

Pour ce faire, activez la commande manuelle le long de l’axe z uniquement en cochant la case correspondante dans le logiciel de pointe, tout en laissant les cases X et Y décochées. Déplacez l’objet traçable vers le bas tout en regardant les signaux en temps réel actuels et delta-f affichés en vert et rose dans la scène virtuelle. Arrêtez de déplacer l’objet traçable lorsque les signaux de courant et delta-f montrent un saut brusque simultané.

La signature d’une formation de contact. Démarrez l’enregistrement de trajectoire dans l’interface VR en cliquant sur le bouton correspondant et en déplaçant l’objet traçable vers le haut. Arrêtez l’enregistrement de la trajectoire dans l’interface VR en cliquant sur le bouton correspondant dès que le contact entre la molécule et la pointe se rompt.

La signature est une chute brutale simultanée du courant et des signaux delta-f. Cliquez sur le bouton pause dans le logiciel de pointe pour désactiver le contrôle manuel. Activez le contrôle manuel du mouvement de la pointe le long de tous les axes spatiaux en cochant les cases X, Y et Z dans le logiciel et en cliquant sur le bouton de démarrage dans le logiciel de pointe.

Essayez de trouver une trajectoire de levage réussie où la molécule contactée est complètement détachée de la surface à la fin de la trajectoire. Pour ce faire, approchez-vous du point où l’ancre a montré la formation du contact de la molécule de pointe en déplaçant l’objet traçable tout en suivant le mouvement de la sphère représentant la position actuelle de la pointe dans la scène virtuelle. Dès que le contact est formé, commencez à enregistrer une nouvelle trajectoire dans l’interface VR.

Tirez la molécule dans une direction appropriée pour le levage en déplaçant l’objet traçable en conséquence. Si une rupture du contact de la molécule de pointe est détectée, arrêtez d’enregistrer la trajectoire. Revenez au point de contact, démarrez l’enregistrement de la trajectoire lors de la formation du contact et exécutez une manipulation différente.

Répétez cette séquence jusqu’à ce que le levage réussisse. Si le contact de la molécule de pointe est toujours stable à Z est supérieur à 10 angströms, c’est la signature d’un soulèvement réussi de la molécule. Pour vous assurer que la molécule est sur la pointe, approchez-vous à nouveau de la surface.

Une augmentation régulière de delta-f se produisant pendant l’approche alors que la pointe est encore loin de la surface indique que la molécule est attachée à la pointe et orientée perpendiculairement à la surface. Après un levage réussi, déplacez l’objet traçable vers le haut pour rétracter la pointe à 10 à 20 angströms supplémentaires de la surface. Cela réduit toute interaction de la molécule soulevée avec la surface.

Fixez la hauteur de la pointe en décochant la case Z et ramenez la pointe aux coordonnées initiales X, Y à l’aide de la commande manuelle. Décochez la case X ou Y une fois que les coordonnées respectives sont proches de zéro. Cliquez sur le bouton pause dans le logiciel de pointe pour fixer la position actuelle de la pointe et désactiver la commande manuelle.

Sans activer la boucle de rétroaction, sélectionnez set X Y offset top, puis cliquez dans l’image correspondante pour positionner la pointe sur l’argent propre une surface à 50 à 100 angströms de l’îlot où la molécule a été extraite. Réglez ensuite le gain de l’amplificateur de courant sur un fois 10 puissance 9 volts par ampère. Décochez les cases X et Y dans le logiciel de pointe, puis cliquez sur le bouton Démarrer.

Déplacez l’objet traçable pour qu’il s’approche de la surface jusqu’à ce qu’un courant mesurable apparaisse. Cliquez sur le bouton pause dans le logiciel de pointe pour désactiver la commande manuelle. Par étapes, augmentez la tension de polarisation à l’aide d’un curseur contrôlé par la souris dans le logiciel SPM jusqu’à ce qu’il y ait un saut simultané du courant et du delta-f qui indique que la molécule est tombée à la surface.

Scannez la zone en mode courant constant et vérifiez si la molécule s’est effectivement déposée à la surface. Enfin, balayez la zone de la région où la molécule a été extraite pour examiner le vide créé. Voici un exemple de nanostructuration d’une couche moléculaire par manipulation contrôlée à la main.

La série d’images STM montre la création séquentielle de 47 postes vacants par élimination consécutive de molécules individuelles de PTCDA d’une couche fermée. Cette animation montre 34 trajectoires de manipulation qui ont toutes conduit à l’élimination réussie du PTCDA de la couche mono. Voici une animation 3D des trajectoires de pointe démontrant le raffinement de la trajectoire et la reproductibilité grâce à une manipulation contrôlée à la main.

La courbe grise représente une première référence obtenue en faisant la moyenne des trajectoires montrées dans l’animation précédente. Les courbes colorées sont sept tentatives de manipulation suivant la trajectoire de référence qui ont toutes échoué, et sept tentatives réussies le long d’une trajectoire coudée nouvellement découverte. Notre méthode de manipulation manuelle peut être facilement appliquée à de nouvelles tâches de manipulation ou à de nouvelles molécules.

Sans avoir besoin d’impliquer des simulations coûteuses. Une fois maîtrisée, la manipulation manuelle peut être utilisée pour étudier des molécules uniques dans des configurations autrement inaccessibles. La réalisation de telles expériences pourrait considérablement élargir notre compréhension des processus fondamentaux qui se déroulent dans ces jonctions métalliques de molécules métalliques.

Lors d’une manipulation contrôlée à la main, l’expérimentateur est soumis à un processus d’apprentissage. Plus tard, nous avons l’intention de formaliser cet apprentissage et finalement de le déléguer à un ordinateur.