3Dバーチャルリアリティのインターフェイスを持つ走査型プローブ顕微鏡を介した単一分子のハンド制御された操作

走査型プローブ顕微鏡による個々の分子の手動操作の全体的な目標は、3次元での操作プロトコルの体系的かつ直感的な調査です。この手法により、分子ナノテクノロジーの分野における当社の能力が広がります。例えば、分子の操作プロトコルを体系的に改良し、分子間の方向性を調べたり、複雑な超分子構造を作製したりすることが可能になります。

この手法の主な利点は、その直感的な性質です。実験者は、自動的に実行される先端軌道のプログラミングの型を破ります。そして、操作プロセスに直接関与します。

分子の操作を3次元に拡張し、表面から分離することで、多くの新しい機会が開かれますが、同時に、3D視覚化制御の要件が必然的に浮かび上がってきます。テキストプロトコルで説明されているモーションキャプチャシステムを使用して、実験者の手で3D駆動する低温走査プローブ顕微鏡をセットアップします。また、テキストプロトコルに記載されているように、銀1つずつにPTCDAを堆積させてサンプルを準備します。

走査型トンネル顕微鏡またはSTMを定電流モードにセットし、PTCDAのLUMOコントラストを容易にするパラメータを設定します。これにより、分子の配向を決定できます。SPMソフトウェアで、スキャンする領域、フィードバックループの設定ポイント、スキャン速度など、スキャンのパラメータを入力します。

SPM ソフトウェアの開始ボタンをクリックして、PTCDA のイメージを作成します。テキストプロトコルで説明されているように、操作に適した表面積を見つけたら、概要ウィンドウを作成し、スキャンする領域とスキャン速度を調整します。小さな領域の詳細なSTMを記録するため。

次に、チップがPTCDA分子に結合する能力をテストします。次に、先端がPTCDAのカルボン酸酸素原子に向かって垂直に3〜5オングストローム移動する現在の距離スペクトルを記録する準備をします。I は Z の関数として、一定のバイアス電圧を設定し、先端を表面に近づけたり引っ込めたりするための先端高さの傾斜を定義することによって記録されます。

次に、SPMソフトウェアのシングルスペクトルボタンをクリックし、操作用に選択したPTCDA分子のカルボン酸酸素原子の上にある、最も最近記録されたSTM画像上の位置を選択します。現在の距離スペクトルを記録する場所。チップが適切な状態にあるかどうかを確認するには、記録された電流距離曲線が、電流の急激な増加という形でチップと分子との間に接触形成を示すことを確認します。

通常、接触は0.5〜3オングストロームが垂直の先端収縮によって持ち上げられるのに十分な強度があり、その後、ボンドが破裂すると電流が急激に低下します。操作用に選択したPTCDA分子を再スキャンした後、セットX、Yオフセットトップを選択し、それぞれの画像をクリックして、操作用に選択したカルボン酸酸素原子にチップを配置します。前に確認した正しい連絡先を使用してください。

フェーズロックループをアクティブにし、振幅制御モードを設定します。発振振幅はできるだけ低く、許容できるノイズ条件と検出速度でデルタF検出が可能になるように十分に高く設定します。フィードバックループを開き、SPMソフトウェアパラメータウィンドウで積分器の値にゼロを入力します。

次に、SPM ソフトウェア パラメーター ウィンドウでジャンクション バイアスを数ミリボルトに設定します。最後に、SPMソフトウェアの値パラメータ・ウィンドウで、電流アンプのゲインを10の1倍からアンペアあたり7ボルトに設定します。ヘッドマウントディスプレイまたはHMDを装着し、追跡可能なオブジェクトを取ります。

必要に応じて、次の手順を実行して HMD をユーザーの頭に再配置し、バーチャル リアリティ シーンまたはラボ環境、キーボード、コンピューター モニターを表示します。次のステップは、3D仮想シーンで接点をマークすることです。このアンカーは、リモート制御可能なマルチチャネル電圧源をリセットすることなく、手動操作を使用してさらなる操作を試みるための接点を簡単に見つけるのに役立ちます。

これを行うには、Z軸に沿ってハンドコントロールをアクティブにするには、チップソフトウェアの対応するチェックボックスをオンにし、XとYのチェックボックスをオフにしてください。仮想シーンで緑とピンクで表示される現在のリアルタイム信号と delta-f リアルタイム信号を見ながら、追跡可能なオブジェクトを下に移動します。現在の信号とdelta-f信号が同時に急激なジャンプを示している場合は、追跡可能なオブジェクトの移動を停止します。

コンタクトフォーメーションのシグネチャー。VRインターフェースで軌道の記録を開始するには、対応するボタンをクリックし、追跡可能なオブジェクトを上に移動します。分子と先端の接触が破裂したらすぐに、対応するボタンをクリックして、VRインターフェースでの軌道記録を停止します。

シグネチャは、電流信号とデルタ-f信号の同時急激な低下です。チップソフトウェアの一時停止ボタンをクリックして、ハンドコントロールを無効にします。すべての空間軸に沿った先端の動きのハンドコントロールを有効にするには、ソフトウェアのX、Y、Zのチェックボックスをオンにし、先端ソフトウェアの開始ボタンをクリックします。

接触した分子が軌道の終わりに表面から完全に分離する、成功した持ち上げ軌道を見つけてみてください。そのためには、仮想シーン内の現在の先端位置を表す球体の動きに追従しながら追跡可能なオブジェクトを移動させることにより、アンカーが先端分子接触の形成を示した点に近づきます。接触が形成されたらすぐに、VRインターフェースで新しい軌道の記録を開始します。

それに応じて追跡可能な物体を移動させることにより、分子を持ち上げに適した方向に引っ張ります。先端分子接触の破裂が検出された場合は、軌跡の記録を停止します。接触点に戻り、接触形成の軌道記録を開始し、別の操作を実行します。

リフティングが成功するまで、このシーケンスを繰り返します。先端分子の接触が Z が 10 オングストロームより大きい場合でも安定している場合、これが分子のリフティングが成功するためのシグネチャです。分子が先端にあることを確認するために、再度表面に近づきます。

先端がまだ表面から離れている間にアプローチ中に発生するdelta-fの滑らかな増加は、分子が先端に付着し、表面に対して垂直に配向されていることを示しています。持ち上げが成功したら、追跡可能なオブジェクトを上に動かして、先端を表面からさらに 10 〜 20 オングストローム引っ込めます。これにより、持ち上げられた分子と表面との相互作用が減少します。

[Z]チェックボックスをオフにして先端の高さを固定し、ハンドコントロールを使用して先端を初期X、Y座標に戻します。XまたはYチェックボックスのチェックを外します。それぞれの座標がゼロに近づいたら、そのチェックを外します。チップソフトウェアの一時停止ボタンをクリックして、現在のチップ位置を固定し、ハンドコントロールを無効にします。

フィードバックループをオンにせずに、X Y オフセットトップの設定を選択し、それぞれの画像をクリックして、分子が抽出された島から 50 〜 100 オングストローム離れたきれいな銀色の 1 つの表面に先端を配置します。次に、電流アンプのゲインを10の1倍からアンペアあたり9ボルトに設定します。チップソフトウェアのXとYのチェックボックスをオフにし、スタートボタンをクリックします。

追跡可能なオブジェクトを動かして、測定可能な電流が現れるまで表面に近づきます。チップソフトウェアの一時停止ボタンをクリックして、ハンドコントロールを無効にします。段階的には、SPMソフトウェアのマウス制御スライダーを使用して、電流とデルタ-fが同時にジャンプし、分子が表面に落下したことを示すまでバイアス電圧を上げます。

定電流モードで領域をスキャンし、分子が実際に表面に戻されたかどうかを確認します。最後に、分子が抽出された領域の領域をスキャンして、作成された空孔を調べます。ここでは、手作業によるマニピュレーションによる分子層のナノ構造化の一例を示します。

一連のSTM画像は、閉じた層から個々のPTCDA分子を連続的に除去することにより、47個の空孔を連続的に生成することを示しています。このアニメーションは、モノレイヤーからのPTCDAの削除に成功した34の操作軌跡を示しています。これは、軌道の改良と再現性を手作業で制御する操作を示す3D先端軌道のアニメーションです。

グレーの曲線は、前のアニメーションで示した軌跡を平均化して取得した初期参照を表しています。色付きの曲線は、基準軌道をたどる 7 回の操作試行で、すべて失敗し、新たに検出されたねじれた軌跡に沿った 7 回の試行が成功しました。私たちのハンドコントロールマニピュレーションの方法は、新しいマニピュレーションタスクや新しい分子に簡単に適用できます。

コストのかかるシミュレーションを行う必要はありません。一度習得すれば、手作業による操作を使用して、他の方法ではアクセスできない構成の単一分子を研究することができます。このような実験を行うことで、このような金属分子と金属接合部で起こる基本的なプロセスについての理解がかなり広がる可能性があります。

手動操作を行うとき、実験者は学習プロセスの対象となります。後で、その学習を形式化し、最終的にコンピューターに委任するつもりです。