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

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

Unter Berücksichtigung organischen Molekülen als funktionale Bausteine ​​der Zukunft nanoskalige Technologie, die Frage, wie solche Bausteine ​​in einem Bottom-up-Ansatz zu ordnen und zu montieren ist noch offen. Das Rastersondenmikroskop (SPM) könnte ein Werkzeug der Wahl sein; jedoch SPM basierte Manipulation wurde bis vor kurzem auf zwei Dimensionen (2D) begrenzt. Binden des SPM-Spitze an ein Molekül mit einer gut definierten Position öffnet die Möglichkeit der kontrollierten Manipulation im 3D-Raum. Leider ist die 3D-Manipulation weitgehend unverträglich mit dem typischen 2D-Paradigma des Betrachtens und zum Erzeugen SPM-Daten auf einem Computer. Für eine intuitive und effiziente Manipulation wir deshalb Paar ein Niedertemperatur berührungslosen Atomkraft / Rastertunnelmikroskop (LT NC-AFM / STM) zu einem Motion-Capture-System und voll immersiven Virtual-Reality-Brille. Dieser Aufbau erlaubt "hand gesteuerte Manipulation" (HCM), in denen die SPM-Spitze bewegt wird, entsprechend der Bewegung der Hand des Experimentators, während der Spitze Trajektorien sowie die Reaktion des SPM-Übergang werden in 3D dargestellt. HCM ebnet den Weg für die Entwicklung komplexer Manipulation Protokolle, die möglicherweise zu führenden ein besseres grundlegendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen nanoskaligen Molekülen auf Oberflächen wirken. Hier beschreiben wir die Einrichtung und die notwendigen Schritte erfolgreich handgesteuerte molekulare Manipulation in der Umgebung der virtuellen Realität zu erreichen.

Introduction

Die Niedertemperatur - berührungslosen Atomkraft / Rastertunnelmikroskop (LT NC-AFM / STM, im folgenden einfach bezeichnet SPM) ist das Werkzeug der Wahl für atomar präzise Manipulation einzelner Atome oder Moleküle von 1 bis 3. SPM basierte Manipulation wird typischerweise auf zwei Dimensionen begrenzt und besteht aus einer Reihe von abrupten und oft stochastische Manipulationsereignisse (Sprünge). Dies begrenzt im wesentlichen die Kontrolle über den Prozess. Kontakt zu der fragliche Molekül durch eine einzige chemische Bindung an einem gut definierten Atom Position führt zu einem Ansatz, der diese Einschränkungen 4 überwinden kann - 9. Während seiner Manipulation wird das kontaktierte Molekül an die SPM-Spitze verbunden ist, so dass in allen drei Dimensionen durch entsprechende Verschiebungen der Spitze des Moleküls bewegt wird möglich. Dies schafft die Möglichkeit für verschiedene komplexe Manipulation Verfahren im 3D-Raum durchgeführt. Jedoch ist die Kontaktaufnahme mit Manipulation kann hallo seinndered durch Wechselwirkungen des manipulierten Moleküls mit der Oberfläche oder / und anderen Molekülen in seiner Umgebung, die Kräfte erzeugen können, die groß genug sind, um die Spitze-Molekül Kontakt zu bersten. Daher ist eine besondere 3D-Bahn der SPM-Spitze führen oder auch nicht in einer erfolgreichen Manipulation Ereignis kann. Eine Frage stellt sich also, wie Protokolle zu definieren, die unter den gegebenen Umständen zum erfolgreichen Abschluss der Manipulation führen, wenn die Spitze-Molekül-Bindung eine begrenzte Festigkeit aufweist, während die Wechselwirkungen des manipulierten Molekül mit seiner Umgebung sind nicht a priori gut charakterisiert.

Hier wird diese Frage in den meisten intuitive Art und Weise vorstellbar genähert. Der Experimentator darf einfach die Verschiebungen des SPM - Spitze zu steuern , indem ihre Hand 7 zu bewegen. Dies wird durch die Kopplung des SPM zu einem kommerziellen Bewegungserfassungssystem erreicht, einige der Spezifikationen davon sind unten angegeben. Der Vorteil von "Hand gesteuert Manipulation" (HCM) ist in ter Experimentators Fähigkeit, verschiedene Manipulations Trajektorien schnell und lernen aus ihren Erfolg oder Misserfolg zu erproben.

Das Setup-HCM wurde ein Proof-of-Principle-Experiment, bei dem ein Wort ( "JÜLICH") wurde stenciled in einer geschlossenen Schicht von Perylen-3,4,9,10-tetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA) Moleküle auf Ag zu leiten verwendet ( 111), Entfernen von 48 Molekülen, nacheinander mit HCM 7. Anheben eines Moleküls von der Oberfläche spaltet seine intermolekularen Wasserstoffbindungen , die die Moleküle in der Monoschicht 10 binden. Typischerweise übersteigt die Gesamtstärke der gegenwärtigen intermolekularen Bindungen der Stärke der einzelnen chemischen Bindung zwischen dem äußersten Atom der Spitze und einer Carbonsauerstoffatom PTCDA , durch die das Molekül in Kontakt gebracht wird (siehe Abbildung 1). Das kann zum Bruch der Spitze Molekülkontakt und dem folgenden Ausfall des Manipulationsversuch führen. Die Aufgabe des Experimentators ist somit zu Bestimne eine Spitze Trajektorie, die die Widerstandsintermolekularen Bindungen sequentiell und nicht gleichzeitig unterbricht, so daß die Gesamtkraft auf die Kontaktspitze-Molekül aufgebracht überschreitet nie seine Stärke.

Obwohl die Solltrajektorie prinzipiell simuliert werden kann, aufgrund der Größe und Komplexität des Systems involviert die notwendigen Simulationen einen prohibitiv großen Menge an Zeit in Anspruch nehmen würde. Im Gegensatz dazu, unter Verwendung von HCM war es möglich, das erste Molekül nach 40 min zu entfernen. Gegen Ende des Experiments wurde die Extraktion bereits viel weniger Zeit, die die Wirksamkeit des Lernvorgang bestätigt. Zusätzlich wurde die Genauigkeit und Vielseitigkeit des HCM-Methode in der Tat der Reverse-Manipulation nachgewiesen, wenn ein Molekül aus dem benachbarten Ort extrahiert wurde verwendet, um die Lücke gelassen, nachdem der fehlerhafte Entfernung eines anderen Moleküls von der einschichtigen zu schließen.

Motion-Capture-Ansatz, während eine schnelle und intuitive zu sein, istzur Erzeugung von Spitze-Bahndaten beschränkt. Für weitere systematische Entwicklung neuer molekularer Manipulation Protokolle ist es ebenso wichtig, dass die Spitze Bahndaten in Echtzeit sowie zu analysieren, die zuvor generierten Daten in der Lage sein zu sehen. Daher wird die Funktionalität des HCM Einrichtung verbessert wesentlich durch virtuelle Realität Brille Zugabe, die der Experimentator ermöglichen, die Daten in der virtuellen 3D-Szene, aufgetragen, um zu sehen, wo die Spitze Trajektorie durch den Strom (I) verstärkt wird und Frequenzverschiebung (& Dgr; f) gemessenen Werte durch das SPM in Echtzeit 8 (siehe unten). Zusätzlich dazu zeigt die virtuelle Realität Szene ein Modell des Stell Molekül, das als eine visuelle Skala Referenz dient. So ist die Einrichtung von der virtuellen Realität-Schnittstelle ergänzt HCM ist für die systematische Kartierung der Manipulation Trajektorienraum geeignet und sukzessive Verfeinerung der vielversprechenden Manipulation Protokolle. Außerdem, dass das System erleichtert auch den Wissenstransfer zwischen different Experimente. Die folgenden Abschnitte geben eine Beschreibung des Aufbaus und einige seiner Spezifikationen, die für die Manipulation Experimente relevant sind.

Die Experimente werden in Ultrahochvakuum (UHV) bei einem Basisdruck von 1 x 10 -10 mbar mit einem handelsüblichen SPM durchgeführt , bestehend aus einer Vorbereitungskammer und einer Analysekammer. Die Vorbereitungskammer ist ausgestattet mit: Ar + Quelle für Probe - Sputtern verwendet, Probentransfer über Manipulator (ermöglicht Heizen und Kühlen einer Probe), Niedrigenergie - Elektronenbeugung (LEED), eine angepasste Knudsen - Zelle (K-Zelle) PTCDA Pulver durch Sublimation gereinigt. Mit einem Volumen von 12 L LN 2 Bad Kryostaten und einer Haltezeit von 46 Stunden, LHe Bad Kryostaten (5 l, 72 h), Besocke 11 Käfer-Typ SPM mit einem Stimmgabel - Sensor ausgestattet 12 (: Die Analysekammer ist ausgestattet mit TFS), bestehend aus einem Quarz Stimmgabel mit einem elektrisch verbunden PtIr Spitze (für STM-Betrieb), Die durch einen fokussierten Ionenstrahl (FIB) (Abbildung 2) geschnitten und geschliffen wird.

Abbildung 1
Abbildung 2. Stimmgabel Sensor. (A) Bild einer kommerziellen Stimmgabel Sonde mit angebautem PtIr Spitze. (B) REM - Aufnahme des mit FIB schneiden Spitze PtIr Spitze. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Das AFM wird in dem frequenzmodulierten (FM) Modus 13 betrieben , in dem das TFS bei der Resonanz erregt ist (f 0 ≈ 31.080 Hz) mit einem Dither piezo. Das piezoelektrische Signal des oszillierenden Stimmgabel wird durch eine Phasenregelschleife (PLL) amplifiziert und verwendet wird, die die Amplitude der Schwingung Constants TFS hält und verfolgt Änderungen von its Resonanzfrequenz, & Dgr; f = f - f 0, die von der Steigung der Kraft auf die Spitze wirkenden stammt. Wie in Figur 3 ist die SPM - Spitze gezeigten Position durch Spannungen gesteuert wird (u x, u y, u z) in einen Satz von x- angewendet, y-, z-Piezos (piezo Konstanten bei 5 K: x = 15, y = 16, z = 6 Å / V). Die u x, u y, u z -Spannungen (± 10 V bei 20 Bit Auflösung) an den SPM Elektronik Ausgänge erzeugt. Sie werden weiter durch eine Hochspannung (HV) Verstärker verstärkt, der eine maximale Ausgangsspannung von ± 200 V hat

Abbildung 1
Abbildung 3. Schema des HCM - Setup. Die Position (nachverfolgt Objekt) das hat mehrere (Infrarot) IR - Quellen auf seiner Oberfläche installiert wird von zwei Infrarotkameras der Motion - Capture - System (MCS) verfolgt. TipControl software erhält der TO - Koordinaten (x, y, z) von MCS und übergibt sie an die entfernte Spannungsquelle (RVS) , die einen Satz von Spannungen (v x, v y, v z) erzeugt , die mit den Spannungen summiert werden (u x , u y, u z) durch die SPM - Elektronik zur Steuerung der SPM Spitzenposition erzeugt. Die addierte Spannung läuft durch eine Hochspannung (HV) Verstärker und wird weiter an das piezoPositionierungsSystem der SPM-Spitze aufgetragen. Das Setup ermöglicht die manuelle Steuerung der Spitze Positionierung, wenn die SPM-Feedback (FB) Schleife geöffnet ist. Die (x, y, z) Position der Spitze als auch I (x, y, z) und & Dgr; f (x, y, z) werden an die VRinterface Software übergeben, die sie in der virtuellen 3D-Szene durch die Bedienungsperson gesehen plottet die Head-Mounted Display (HMD) tragen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Der Tunnelstrom, der zwischen dem SPM-Spitze fließt unddie Oberfläche durch einen Transimpedanzverstärker mit einem variablen Verstärkungsfaktor gemessen wird , das (bei Verstärkung 1 x 10 9 V / A beträgt 1 kHz Bandbreite) von 1 x Oktober 3-01 x 10 9 V / A liegt. Der Ausgang des Verstärkers wird in das STM-Feedback (FB) Schleife zugeführt, die Spitzenhöhe über der Oberfläche in konstantem Strom Abtastmodus zu regulieren. Die Stabilität der Kreuzung (mit der TFS Schwingung ausgeschaltet) 1-3 pm. Das piezoelektrische Schwingungssignal des TFS wird in zwei Stufen amplifiziert: (1) Vorverstärkers an die 2 shield LN fixiert (Verstärkungs 1 x 10 8 V / A, Bandbreite 20 kHz), und (2) externe Spannungsverstärker mit variabler Verstärkung von 1 10 x 1 bis 5 x 10 4 und eine Bandbreite von 1 MHz.

Für HCM Experimenten wird die SPM-Setup erweitert mit: Motion-Capture-System (MCS), fernsteuerbare mehrkanaligen Spannungsquelle (RVS), Summierverstärker und Virtual-Reality-Head Mounted Display (HMD). Alle aufgeführten Geräte mit Ausnahme des summing Verstärker wurden im Handel erworben.

MSC ist ein Infrarot (IR) marker-Tracking-System, das mit einer Rate von 100 Hz Millimeter-Auflösung der räumlichen Verschiebungen ermöglicht. Das System besteht aus zwei IR-Kameras, ein verfolgbaren Objekt (TO) und die Steuerungssoftware. Die MCS-Software erhält die x-, y-, z-Koordinaten des TO im 3D-Raum durch seine Bilder von den beiden Kameras erhalten zu analysieren. MCS bietet eine Programmierbibliothek, die Verwendung der Koordinaten von TO in einem separaten Software-Programm ermöglicht.

Die Koordinaten von TO (x, y TO, z TO) an einem speziell entwickelten Software - Programm "TipControl" bestanden. Abbildung 4 zeigt einen Screenshot der grafischen Benutzeroberfläche. Die Software wird von der Schaltfläche "Start" im Fenster aktiviert. Nach der Aktivierung (τ = 0) die Software alle v x - Sets -, v y -, -Spannungen v z auf RVS (Spannungsbereich ± 10 V bei 16Bit Auflösung, 50 msec Latenz pro Spannungsschritt) gemäß dem folgenden Ausdruck Gleichung 1 usw., wobei c x, c y, c z sind die Faktoren , die 5 cm von der Verschiebung des TO in 1 eine Verschiebung der SPM - Spitze umzuwandeln. Die Faktoren p x (t), P y (t) p z (t) haben Werte , die durch den Status der x- definiert, y-, z-Ankreuzfelder in Software - Fenster. Wenn das Kästchen angekreuzt wird dann die entsprechende p (t) auf 1 gesetzt Alle p (t) auf 0 im Moment gesetzt werden, wenn die "Pause" -Taste in der Software-Fenster gedrückt wird. Das ermöglicht dem Bediener, um vorübergehend die Position der Spitze "einzufrieren". Durch Drücken der "Reset alle" in der Software - Fenster setzt v x -, v y -, v z -Spannungen auf Null , die die Spitze in seine Ausgangsposition durch die SPM - Software definiert zurück. Das Textfeld "Hand Befehl RVS" im Software-Fenster ca n eine der v x eingestellt werden -, v y -, v z -Spannungen auf einen beliebigen Wert im zulässigen Bereich von ± 10 V. Der V x -, v y -, v z -Spannungen von RVS generiert werden hinzugefügt zur u x -, u y -, u z -Ausgang Spannungssignale SPM Elektronik über einen Summierverstärker (Verstärkung 1, Bandbreite 50 kHz, Ausgangsbereich ± 10 V).

Abbildung 1
Abbildung 4. Screenshot des Interface - Fenster. Zwei Indikatoren zeigen den Status der Verbindung mit MCS und RVS - Systemen. Ankreuzfelder werden verwendet, Handsteuerung entlang ausgewählter Raumachsen zu aktivieren. Über die Schaltfläche "Start" startet den Datenfluss zwischen MCS, TipControl und RVS nach dem Schema in Abbildung 3 dargestellt. Schaltfläche "Pause" stoppt den Datenfluss. Schaltfläche "Alle zurücksetzen" setzt alle RVS Spannungen auf Null.= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg" target = "_ blank"> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Zur Visualisierung der experimentellen Daten (Spitze Bahn, I, Af) ein Head Mounted Display (HMD) verwendet wird. Die HMD liefert eine stereoskopische Ansicht (Split-HD-Display - die eine Hälfte für jedes Auge, 1.920 x 1.080 Pixeln bei 75 Hz). Eine spezielle IR-Kamera verfolgt die Position und Orientierung der HMD im 3D-Raum unter Verwendung von IR-LEDs auf der Oberfläche des HMD fixiert. Die HMD-Tracking-System ermöglicht es dem Bediener durch eine Drehung des Kopfes den Blick in die 3D-Virtual-Reality-Szene zu verändern oder einfach ihren Körper zu bewegen.

Die individuell geschriebenen Software "VRinterface" sammelt die Daten sowohl von SPM und MCS, macht es in der 3D-Szene mit OpenGL und zeigt sie in der HMD mit Hilfe der HMDs Software Development Kit (SDK). VRinterface ruft die tatsächlichen x-, y-, z-Koordinaten der Spitze direkt aus demTip - Software (wenige Millisekunden Latenz) , während ich und Af - Signale direkt von den Ausgängen der SPM - Elektronik (Latenz ≈ 250 ms) gelesen werden. Abbildung 5 zeigt einen Screenshot der virtuellen 3D - Szene , wie durch den Bediener gesehen während HCM HMD zu tragen. Innerhalb der virtuellen 3D-Szene wird die Spitze Spitze als weißer Kugel gemacht. Die Färbung der aufgezeichneten Spitzen Trajektorien spiegelt Werte von entweder log (I (x, y, z)) oder & Delta; f (x, y, z). Umschalten zwischen log (I (x, y, z)) oder & Delta; f (x, y, z) Farbmodi wird durch die Knopfdruck erfolgen. Eine weitere Taste löst die Aufnahme (und Anzeigen) der experimentellen Spitze Bahndaten. Wenn sie gedrückt wieder stoppt die Taste, um die Aufnahme. Die virtuelle Szene zeigt auch eine statische PTCDA Molekül, das als visuelle Hilfe bei der Manipulation verwendet wird. Die Bedienungsperson richtet seine Ausrichtung manuell die Ausrichtung des realen Molekül auf der Oberfläche auf einer Tastatur unter Verwendung von Tasten zu passen.

Achtung: Da der Kopf tAbstich von HMD stützt sich auf IR-LEDs, mit dem MCS stören können, da sie auch IR-Licht zu verfolgen, die Position von TO verwendet. Daher muss eine einzigartige Form der MCS erkannt zu haben. Dies trägt dazu bei MCS zwischen den Signalen zu unterscheiden, die von TO und diejenigen, die aus IR-LEDs von HMD kommen.

Abbildung 1
Abbildung 5. S creenshot der virtuellen 3D - Szene dargestellt an den Bediener in HMD während HCM. Eine Reihe von weißen Kugeln bildet ein Modell Ag (111) -Oberfläche. Ausrichtung der Modellfläche mit der Orientierung der Probe nicht notwendigerweise zusammenfallen kann. Ein Modell des PTCDA Molekül ist oberhalb der Modelloberfläche platziert. C, O, H-Atome von PTCDA sind in schwarz, rot und weiß gezeigt. Zum Zwecke der Bequemlichkeit azimutale Ausrichtung des Modellmoleküls kann eingestellt werden, um die Ausrichtung des realen Moleküls zu passen gewähltfür Manipulation. Die Spitzenposition wird durch eine einzelne weiße Kugel markiert die äußerste Spitze Spitze Atom darstellt. Die Echtzeit-I (x, y, z) und & Dgr; f (x, y, z) -Daten werden als Balkenanzeigen platziert neben der Spitze angezeigt. Zuvor als gut aufgenommen, da die aktuell ausgeführten Manipulationen als 3D Trajektorien angezeigt werden, deren Farbe repräsentiert entweder log (I (x, y, z)) oder & Delta; f (x, y, z) gemessenen Werte an den Positionen der Flugbahn entsprechen. Die Figur zeigt Trajektorien, die mit log (I (x, y, z)) Signal gefärbt sind. Der Farbkontrast zwischen log (I (x, y, z)) und Af (x, y, z) Modi durch Drücken einer Taste eingeschaltet werden. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Achtung: PTCDA kann auf die Haut oder die Augen reizen und sollten daher mit Vorsicht mit geeigneten Handschuhen angefasst werden. Bitte konsultieren Sie geeignete Sicherheitsbroschüren. Kryo-Flüssigkeiten können Auswirkungen auf die Haut ähnlich einer thermischen Verbrennung erzeugen oder kann Erfrierungen bei längerer Exposition. Tragen Sie immer eine Schutzbrille und geeignete kryogene Handschuhe beim kryogenen Flüssigkeiten Handhabung. Das Gas, das durch kryogene Flüssigkeiten gebildet ist sehr kalt und in der Regel schwerer als Luft und können sich in Bodennähe verdrängen Luft ansammeln. Wenn es nicht genügend Luft oder Sauerstoff, Ersticken und Tod auftreten. Bitte konsultieren Sie geeignete Sicherheitsbroschüren.

1. Probenvorbereitung

  1. Abscheidung von PTCDA auf Ag (111)
    Anmerkung: Die Monoschicht (ML) Abdeckung PTCDA zwischen 10-30% und konzentriert in großen, kompakt Inseln (6) sein sollte. Diese Situation ist ideal Manipulationsexperimente zu tun, während für Spitze preparati genug saubere Metalloberflächeauf.
    1. Reinigen Sie die Ag (111) Kristall vor der Abscheidung mit einem Standardverfahren von Sputter und Ausheizzyklen 14.
      1. Sputter den Kristall mit Ar + -Ionen 15 min. Verwenden Ar Druck bei 1 x 10 -5 mbar, einer Ionenenergie von 0,8 keV und der Kristall bei Raumtemperatur (RT).
      2. Annealing der Probe bei 530 ° C für 15-30 min.
    2. Verwenden Sie das PTCDA K-Zelle 0,1-0,3 ML von PTCDA auf der Ag (111) Probe bei RT 14 abzuscheiden.
      HINWEIS: Keine Abscheidungsparameter sind gegeben, da die Ablagerungsbedingungen von Setup zu Setup unterscheiden.
    3. Nach der Abscheidung blinken die Probe auf 200 ° C für 2 min Ordnung der PTCDA Inseln zu verbessern und mögliche Verunreinigungen zu desorbieren.
    4. Optional kann die Ablagerung mit LEED inspizieren durch das Beugungsmuster von PTCDA auf Ag (111) 15 Überprüfung.
    5. Verwenden Sie das Setup-spezifischen Verfahren, um die Probe auf die SPM zu übertragen. Normalerweise verwenden eine manipulator Lage, lineare Übertragung innerhalb UHV und möglicherweise einem handbetätigten wackel Stick.
  2. Überprüfen Sie die Probenvorbereitung in der SPM.
    1. Warten, nachdem der Probenübertragung, bis die Temperatur des SPM ist in der Nähe seiner Basis Temperatur (hier: 5 K). Die Dauer in der beschriebenen Einrichtung ist etwa 1 Stunde für eine Probe auf LN 2 Temperatur während des Transports gekühlt.
    2. Verwenden Sie das Setup-spezifischen Verfahren, um die Spitze an der Oberfläche (im Konstantstrom-Modus) zu nähern, bis Tunnelstrom erscheint.
    3. Wählen , um die Offsetspannung des Verstärkers HV , so daß u z = 0. Dies ist die Standard - Einstellung während des gesamten Papiers, wenn nicht anders angegeben.
    4. Überprüfen Sie die Probenvorbereitung machen Konstantstrom STM - Bilder (Sollwert: I = 0,1 nA, Vorspannung V b = -0,35 V an die Probe angelegt, Stromverstärker Verstärkung 1 x 10 9 V / A) der Oberfläche. Die angegebenen Parameter erleichtern Abbildung der niedrigsten unoccupied Orbital (LUMO) von PTCDA. Dies hilft , die Position von Carbonsauerstoffatome des Moleküls für die Manipulation (Einschub in Figur 6) gewählt zu identifizieren.
    5. Bereiten Sie die Spitze , bis die STM - Bilder ähnlich aussehen 6 gezeigt. Zum Beispiel verwenden Impulse von 5-6 V bei Spitzen-Oberflächenabstände, die dem aktuellen Abbildungssollwert entsprechen oder die Spitze von 7-10 Å bewegen (von der Stabilisierungspunkt ) zur Rein Ag (111) Oberfläche , während V b Aufbringen = 0,1 V an die Probe. Absturz der Spitze tiefer im Falle einer Doppelspitze. Verwenden Sie keine Impulse der Nähe von PTCDA Inseln!

2. Richten Sie den AFM-Betrieb mit TFS

  1. Stellen Sie die systemspezifischen PLL Parameter für die FM-AFM so dass & Dgr; f Erfassung möglich mit akzeptablen Rauschbedingungen und Detektionsgeschwindigkeit (beispielsweise 0,1-0,5 Hz Rauschen in & Delta; f innerhalb von 7 Hz Bandbreite bei der TFS Schwingungsamplitude von etwa 0,2-0,4 Å ).
    2. 0 des TFS bestimmen.
    1. Ziehen Sie die Spitze von der Oberfläche auf den maximalen Abstand der SPM Controller in der Lage ist zu erreichen (zB durch Setzen v z = -10 V , die bei der Einrichtung hier beschrieben , die Spitze von der Oberfläche von etwa 180 Å zieht).
    2. Zeichnen Sie eine Resonanzkurve (TFS Schwingungsamplitude vs. Antriebsfrequenz bei konstanter TFS Anregungsamplitude) unter Verwendung der SPM-Software.
    3. Lesen , die Resonanzfrequenz f 0 als die Position des Maximums der Resonanzkurve auf der Frequenzachse. Der Q-Faktor wird durch die Software von der Breite der Resonanzspitze berechnet. Der Q-Faktor der beschriebenen Einrichtung variiert zwischen 50.000-70.000 (Abbildung 7).
  2. Positionieren Sie die Spitze über eine saubere Ag (111) -Oberfläche und kalibrieren die TFS Schwingungsamplitude folgende Ref. 16.

3. Integration of MCS in der SPM-Setup

  1. Montieren und Kalibrieren des MCS entsprechend der Anleitung des Herstellers erhalten. Die Kalibrierung schließt der Ursprung des MCS Koordinatensystem festlegen.
  2. Im Anschluss an das Systemhandbuch-Schalter auf der TO und fügen Sie sie als verfolgtes Objekt in MCS-Software.
  3. Überprüfen Sie, ob der Tracking korrekt durch die in dem Detektionsvolumen zu bewegen und nach ihrer Position durch die MCS-Software angezeigt funktioniert.
  4. Testen Sie die Verbindung zwischen RVS und der Software durch einen Testbefehl RVS aus dem Fenster zu senden (siehe Abbildung 4).
  5. Testen Sie die Verbindung zwischen MCS, RVS und TipControl.
    1. Überprüfen Sie, ob die v x -, v y -, v z -Spannungen von RVS werden auf 0 V und setzen sie , wenn nötig.
      1. Ziehen Sie die Spitze von der Oberfläche (2.2.1).
      2. Drücken Sie die "Reset alle" in der Software - Fenster v x Reset -, v y -, -Spannungen v z am Ausgang der RVS.
      3. EINNSATZ die Spitze zurück mit FB-Schleife an der Oberfläche geschlossen (1.2.2).
    2. Positionieren Sie die Spitze über saubere Ag (111) -Oberfläche mit dem Setup-spezifische Funktion des SPM-Software.
    3. Überprüfen x-, y-, z-Ankreuzfelder in Software-Fenster. Dies aktiviert die Handsteuermodus der Spitzenposition entlang aller drei Raumachsen.
    4. Drücken Sie auf "Start" in der Software-Fenster.
    5. Stellen Sie sicher , dass die v x -, v y -, v z -Spannungen von RVS erzeugt entlang jeder der Achsen richtig auf die Bewegung zu reagieren. Entlang der Z-Achse (senkrecht zur Oberfläche) beim Bewegen, Überwachen der Reaktion des FB - Schleife , die die aufgebrachte von RVS Vz -Spannung zu kompensieren versucht.
    6. Drücken Sie auf "Pause" in der Software-Fenster.
    7. Drücken Sie die "Reset alle" im Software-Fenster.

4. Integration der HMD in der SPM-Setup

  1. Stellen Sie sicher, dass das HMD angeschlossen ist und alle notwendigen drivers werden entsprechend dem Handbuch des Herstellers installiert.
  2. Starten Sie VRinterface und stellen Sie sicher , dass es richtig die Modelloberfläche macht, um das adsorbierte Molekül und die Spitze (siehe Abbildung 5).
  3. Ausrichten der Orientierung des Koordinatensystems der virtuellen 3D-Realität Szene im HMD mit den Koordinatenachsen des MCS gesehen.
  4. Setzen Sie auf die HMD. Bei Bedarf neu positionieren auf dem Kopf die HMD, während die folgenden Schritte ausführen, entweder die VR-Szene oder die Laborumgebung, Tastatur und Computer-Monitor anzuzeigen.
  5. Testen Sie die Live - Datenübertragung von I und Af - Signale von den SPM - Elektronik, zum Beispiel durch den Tunnelstrom - Sollwert innerhalb der SPM - Software zu verändern.
    1. Überprüfen Sie die x-, y-, z-Kontrollkästchen des Software-Fensters.
    2. Nehmen Sie den TO und drücken Sie die Schaltfläche "Start" des Software-Fensters.
    3. Bewegen Sie den TO und prüfen, ob die Kugel die Spitze darstellt, wird korrekt in der virtuellen 3D-Szene zu bewegen.
    4. Halten Sie die Hand die Halte ruhig zu halten, bis die "Pause" -Taste des Software-Fensters gedrückt wird.
    5. Setzen Sie den TO entfernt.
    6. Drücken Sie "Reset total" Taste des Software-Fensters.

5. Bereiten Sie SPM für die Manipulation einzelner Moleküle PTCDA

  1. Stellen Sie den STM in Konstantstrom - Modus mit den Parametern, die LUMO Kontrast für PTCDA erleichtern und somit erlauben, die molekulare Orientierung (Sollwert zu bestimmen: I = 0,1 nA, Vorspannung V b = -0,35 V , die auf die Probe, Stromverstärker Verstärkung 1 x 10 9 V / A).
  2. Achten Sie darauf, die Spitze ist gut vorbereitet für die Manipulation.
    1. Bild PTCDA. In der SPM - Software, geben Sie die Parameter für den Scan (zu scannende Bereich (wie 300 x 300 Å 2), Sollwerte für Feedback - Schleife: I = 0,1 nA und V b = -0,35 V, Scangeschwindigkeit = 150 nm / s und) drücken Sie die Schaltfläche "Start" in der SPM-Software. Die Auflösung des Bildesmüssen ähnlich sein 6 gezeigt.
    2. Stellen Sie sicher, dass die Af, die auftritt, wenn die Spitze von Tunnelkontakt zu einem großen Abstand von der Oberfläche (> 100 Å) größer ist nicht viel als 5-7 Hz bewegt wird.
    3. eine der oben genannten Bedingungen Falls nicht wiederholen die Spitze Vorbereitung über das saubere Ag (111) -Oberfläche (1.2.5) erfüllt.
  3. Finden sie eine Fläche geeignet für Manipulation.
    1. Verwenden Sie SPM - Software über eine Fläche ähnlich wie in Abbildung 6 gezeigt zu finden , die eine PTCDA Insel und einige Bereich der sauberen Ag (111) Oberfläche enthält. Verwenden Sie bei Bedarf den reinen Bereich der Spitze zwischen verschiedenen Manipulationsversuchen neu zu gestalten.
    2. Wählen Sie ein Molekül innerhalb PTCDA Insel für die Manipulation und nehmen Sie eine detaillierte STM - Bild ( zum Beispiel 50 x 50 Å 2) , wie in Abbildung 6 gezeigt wählen. "SetXYOffset - Top" aus einem Drop-Down - Menü und wählen Sie den Bereich für die detaillierte Darstellung von klicken auf einen größeren ÜberblickImage.
      HINWEIS: Es gibt keine speziellen Kriterien, da alle Moleküle innerhalb einer Insel (ca. 3 Moleküle von einer Kante entfernt) zur Manipulation zu sein als gleich betrachtet werden. Es sollte an das Molekül kein "Schmutz" sichtbar auf oder neben sein. Ein solcher Schmutz würde eine unregelmäßige Kontrast im Bild erzeugen.
  4. Testen der Fähigkeit der Spitze zum PTCDA-Moleküls zu binden.
    1. Positionieren Sie die Spitze über eine der beiden Carbonsauerstoffatome von PTCDA (markiert in Abbildung 6) mit dem Setup-spezifische Funktion des SPM - Software. Wählen Sie "SetXYOffset - nach oben", und klicken Sie dann in dem jeweiligen Bild.
    2. Nehmen Sie ein Spektrum, in dem die Spitze senkrecht auf der Oberfläche bewegt wird, um 3-5 Å und I (z) ist die Setup-spezifischen Funktionen des SPM-Software aufgezeichnet werden.
      1. Stellen Sie eine konstante Vorspannung V b (zB 6 mV) und definieren eine Rampe von Spitzenhöhe zu nähern und die Spitze von der Oberfläche zurückzuziehen (zB 4 Å; näher und wieder zurück). Klicken Sie dann auf die Schaltfläche "vert. Manip" in der SPM-Software und wählen Sie eine Position auf dem zuletzt STM-Bild aufgezeichnet, wobei die vertikale Manipulation ausgeführt werden soll.
    3. Überprüfen Sie, ob die aufgezeichnete I (z) Kontaktbildung zwischen der Spitze und dem Molekül in Form der scharfen (über z Auflösung des aufgenommenen Spektrums) Anstieg des Stroms I (z) aufweist. Typischerweise ist der Kontakt stark genug für 0,5-3 Å durch vertikale Spitze Rückzug anheben (siehe Abbildung 8).
      1. Wenn die I (z) Kurve keinen scharfen Kontaktbildung nicht zeigen, versuchen Sie eine der folgenden Möglichkeiten:
        1. Ändern Sie die seitliche Position der Spitze leicht und wiederholen Sie den Anflugverfahren.
        2. Führen Sie eine sanfte Spitze bilden (1.2.5) und versuchen , das Molekül wieder , bis das Kontaktverhalten wie in Abbildung gezeigt , eine Kontaktaufnahme mit 8 registriert ist .
  5. Warten Sie, bis der Piezo Kriechen ist weg (ca. 2-4 h).
    HINWEIS: Die Menge der Drift bestimmt die Stabilität des Kontaktpunktes während HCM und dadurch, wie lange man kann ohne erneutes Scannen der Fläche aufeinanderfolgende Manipulationen mit dem gleichen Molekül auszuführen.
    1. Test Kriechen entlang der x-, y-Richtungen von zwei detaillierten STM - Bilder des gewählten Betriebsbereichs zu vergleichen, mit einem Zeitintervall aufgezeichnet werden , beispielsweise 5 min. Warten, bis die Drift von weniger als 0,5 Å zwischen den beiden aufeinander folgenden Bildern.
    2. Test - Kriechen in z-Richtung durch die FB - Schleife über 1 min und berechnen die Driftgeschwindigkeit u z (t) angelegt Aufnahme. du z (t) / dt sollte etwa 0,2 Å / h sein.

6. Vorbereitung für Hand kontrollierte Manipulation (HCM)

  1. Stellen Sie sicher, dass alle relevanten Programme ausgeführt werden und dass die Datenübertragung zwischen den angeschlossenen Geräten funktioniert einwandfrei: MCS, TipControl, RVS, VRinterface, HMD und SPM-Elektronik.
  2. Stellen Sie sicher, dass der Veranlagunn des Koordinatensystems des HMD wird mit den Koordinatenachsen des MCS ausgerichtet sind.
  3. Richten des Bildes des Moleküls als visuelle Hilfe in VRinterface mit der Orientierung des realen Molekül gezeigt in Experiment manipuliert werden.
    1. Ausrichten des HMD entlang seiner Koordinatensystem und orientieren sie, so dass die Sicht über dem Referenzmolekül. Richten Sie das Referenzmolekül in VRinterface zu dem abgebildeten Molekül in der SPM-Software, indem Sie die entsprechenden Tasten auf der Tastatur drücken, um sie drehen im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn.
  4. Wenn die v x überprüfen -, v y -, v z -Spannungen von RVS werden auf 0 V und sie zurücksetzen , falls erforderlich (3.5.1).
  5. Rescan das PTCDA Molekül ausgewählt für die Manipulation mit dem STM im Konstantstrombetrieb.
  6. Positionieren Sie die Spitze über das Carbonsauerstoffatom für die Manipulation ausgewählt unter Verwendung der entsprechenden Funktion der SPM-Software. Verwenden Sie die richtige Anlaufstelle, wie in 5.4 bestimmt.
    7. <li> Aktivieren PLL und stellen Sie die Amplitude Steuermodus. Stellen Sie die Schwingungsamplitude so gering wie möglich (beispielsweise 0,2-0,4 Å) , aber hoch genug , so dass & Dgr; f Erfassung möglich mit akzeptablen Rauschbedingungen und Detektionsgeschwindigkeit (siehe 2.1).
  7. Öffnen Sie die FB-Schleife. Geben Sie 0 für den Integrator-Wert in der SPM-Software-Parameterfenster.
  8. Stellen Kreuzung Bias auf wenige mV in der SPM-Software-Parameterfenster. Eingeben 0,007 7 mV an die Oberfläche aufzubringen.
  9. Einstellen der aktuellen Verstärkungsfaktor auf 1 x 10 7 V / A in der SPM - Software Parameterfenster.

7. Verwenden Sie HCM für Controlled Manipulation von PTCDA

  1. Setzen Sie auf die HMD und nehmen Sie die TO. Bei Bedarf setzen Sie die HMD auf den Kopf des Benutzers, während die folgenden Schritte ausführen, entweder die VR-Szene oder die Laborumgebung, Tastatur und Computer-Monitor anzuzeigen.
  2. Stellen Sie den Farbkontrast der aufgenommenen Trajektorien einzuloggen (I (x, y, z)) in VRinterface durch die entsprechende b drückenutton.
  3. Markieren Sie den Kontaktpunkt in der virtuellen 3D-Szene. Diese "Anker" hilft, den Kontakt leicht für weitere Manipulationsversuche ohne die Notwendigkeit, die RVS zum Zurücksetzen mit HCM zu finden.
    1. Handsteuerung entlang der z-Achse nur aktivieren, indem Sie die entsprechende Checkbox in der Spitzen Software überprüft, während halten x-, y-Kontrollkästchen deaktiviert.
    2. Bewegen Sie den nach unten, während die ich beobachtete (0,0, z) und Af (0,0, z) Echtzeitsignale in der virtuellen Szene. Stoppen Sie den TO bewegen , wenn das I (0,0, z) und Af (0,0, z) Signale , die eine gleichzeitige scharfen Sprung zeigen, die Unterschrift eines Kontaktbildung (siehe Abbildung 8).
    3. Starten Sie Trajektorie Aufnahme in VRinterface indem Sie die entsprechende Taste drücken und starten Sie den bis zu bewegen.
    4. Stoppen Sie Bahn Aufnahme in VRinterface, sobald der Kontakt zwischen Molekül und Spitze platzt durch die entsprechende Taste drücken. Die Signatur ist ein gleichzeitiger starker Rückgang der I (x, y, z) und & Dgr; f (x, y, z) Signale.
    5. Drücken Sie &#34; Pause "-Taste in der Spitze Software Handsteuerung zu deaktivieren.
  4. Aktivieren Handsteuerung der Spitze Bewegung entlang allen Raumachsen durch die x- Überprüfung, y-, z-Kontrollkästchen in der Software und drücken Sie die Schaltfläche "Start" in der Spitze Software.
  5. Im Fall weicht der Punkt der Kontaktbildung von der einen "verankert" in der virtuellen Szene nach einer Manipulation (aufgrund von Drift oder jede Änderung der Spitze Spitze) korrigieren Sie die Spitzenposition und die Spitze Zustand, wenn nötig.
    1. Bewegen Sie die Spitze zurück in seine Ausgangsposition vor dem Start Handsteuerung durch die TO zu bewegen, während die Bewegung der weißen Kugel in der virtuellen Szene zu beobachten.
    2. Drücken Sie die "Pause" -Taste in der Spitze Software Handsteuerung zu deaktivieren.
    3. Drücken Sie die "Reset alle" in der Spitze Software v x Reset -, v y -, v z -Spannungen von RVS auf 0 V
    4. Stellen Sie die STM zurück in Konstantstrom-Modus mit den Parametern, die LUMO c erleichternontrast für PTCDA (siehe 1.2.4).
    5. Rescan das Molekül für die Manipulation ausgewählt und die Position der Spitze an der richtigen Stelle über den gewählten Carbonsauerstoffatom (bestimmt in 5,4), um die Setup-spezifischen Funktionen des SPM-Software. Bei Bedarf bereiten die Spitze in der Nähe zur (<300 Å entfernt), um die Rest Piezo-Kriechen zu reduzieren.
    6. Starten Sie das Protokoll in Schritt 7.1.
  6. Versuchen Sie, eine erfolgreiche Hebebahn zu finden, wo das Molekül in Kontakt gebracht vollständig von der Oberfläche am Ende der Bahn abgelöst wird.
    1. Nähern Sie sich dem Punkt, an dem der "Anker" zeigte Bildung der Spitze-Molekül Kontakt mit den TO zu bewegen, während die Bewegung der Kugel nach der aktuellen Spitzenposition in der virtuellen Szene darstellt. Sobald der Kontakt Beginn einer neuen Flugbahn in VRinterface Aufnahme gebildet.
    2. Ziehen Sie das Molekül in einer Richtung geeignet für das Heben (10) durch die entsprechend zu bewegen. Obein Bruch der Spitze-Molekül Kontakt erkannt wird, stoppen die Flugbahn der Aufnahme. Zurück zum Kontaktpunkt, Startbahnaufzeichnung auf Kontaktbildung und führen Sie eine andere Manipulation.
    3. Wechseln Sie zu Af (x, y, z) Farbkontrast der aufgenommenen Trajektorien auf die entsprechende Schaltfläche in VRinterface Pressen bei größeren Abständen von der Oberfläche (bei etwa 7 Å mit Stromverstärker Verstärkung 10 7 V / A), weil ich (x, y, z) Signal zerfällt schnell weg von der Oberfläche. Hier & Dgr; f (x, y, z) wird alleiniger Indikator für die Anwesenheit des Moleküls (siehe Abbildung 1). Wenn das Molekül-Spitzenkontakt verloren, Af (x, y, z) springt (schließen) auf Null und ändert sich nicht mehr selbst auf der Oberfläche für 1-3 Å nähert.
    4. Wenn die Spitze-Molekül Kontakt bei z> 10 Å noch stabil ist, sehen Sie in Af für eine Unterschrift aus (x, y, z), wo es einen reibungslosen Übergang auf das Ziehen des Moleküls von der Oberfläche auf Null zeigt. Dies ist die Signatur für successful Aufhebung des Moleküls (siehe Abbildung 1).
    5. Prüfen Sie, ob das Molekül vollständig von der Oberfläche und hängen an der Spitze abgelöst wird.
      1. Bewegen Sie die auf bis zu prüfen, ob Af (x, y, z) bei Null an weiteren Spitze Rückzug bleibt.
      2. Bewegen Sie den nach unten zu überprüfen, ob Af (x, y, z) erhöht auf der Oberfläche über die Höhe für 1-3 Å nähern, wo die Signatur für eine erfolgreiche Hebe erkannt wurde.
  7. Kaution das hob Molekül auf eine saubere Ag (111) -Oberfläche.
    1. Nach der erfolgreichen Aufhebung bewegen sich die auf bis die Spitze eine zusätzliche 10-20 Å von der Oberfläche zurückzuziehen. Dies verringert eine Wechselwirkung des angehobenen Moleküls mit der Oberfläche.
    2. Drücken Sie die "Pause" -Taste in der Spitze Software die aktuelle Spitzenposition zu fixieren und Handsteuerung zu deaktivieren.
    3. Ohne sich umzudrehen auf die FB-Schleife, verwenden Sie die Setup-spezifische Funktion der SPM-Software, um die Spitze über saubere Ag (111) -Oberfläche einige dista zu positionierennce (zB 50-100 Å) von der Insel entfernt , wo das Molekül extrahiert wurde. Wählen Sie "SetXYOffset - nach oben", und klicken Sie dann in dem jeweiligen Bild.
    4. Stellen Sie Stromverstärker Verstärkung auf 1 x 10 9 V / A.
    5. Schauen Sie nur z-Checkbox in der Spitze Software und drücken Sie "Start" -Taste in der Spitze Software.
    6. Bewegen Sie die an der Oberfläche bis zu einer messbaren Ansatz I (z) erscheint.
    7. Drücken Sie die "Pause" -Taste in der Spitze Software Handsteuerung zu deaktivieren.
    8. Schrittweise Erhöhung V b (max. V b ≈ 0,5 V, bei höheren V b - Molekül könnte beschädigt werden) durch eine Maus gesteuert Schieber in der SPM - Software , bis es eine gleichzeitige Sprung in I und Af ist , das anzeigt , dass das Molekül fiel auf die Oberfläche. Wenn das Molekül kann nicht erneut abgeschieden werden, hat sich die Spitze für weitere Experimente gereinigt werden, beispielsweise durch Spannungsimpulse (1.2.5).
    9. Scannen Sie den Bereich im Konstantstrombetrieb (1.2.4) und die Prüfungob das Molekül war in der Tat wieder auf die Oberfläche aufgebracht.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Hinweis: Dieser Teil zeigt Arbeiten in 7,8 veröffentlicht.

Anwenden von HCM auf das Problem der Aufhebung PTCDA / Ag (111) aus einer Schicht, wir waren in der Lage , ein Muster zu schreiben , indem nacheinander einzelne Moleküle zu entfernen (Abbildung 9). Insgesamt wurden 48 Moleküle entfernt, von denen 40 auf die saubere Ag (111) wieder abgeschieden werden konnte, zeigt, dass die Moleküle während des Manipulationsprozess intakt bleiben. Dies ermöglicht HCM mit "Schreibfehler" zu korrigieren , indem ein Molekül von einem anderen Ort zu nehmen und Ausfüllen eines versehentlich erstellt Vakanz (Einschübe aus 9) 7.

Erfolgreiche Trajektorien , die ein Molekül aus der Schicht zu entfernen erlaubt sind in Abbildung 10 dargestellt. Sie Bündel in einem relativ engen Raumwinkel, die Richtungvon denen legt nahe, dass das Molekül aus der Schicht in einem "Abschälen" Bewegung entfernt werden kann. Dieses Peeling ermöglicht eine allmähliche Abspaltung der intermolekularen H-Brücken und hält die Gesamtkräfte auf die Spitze-Molekül Bindung unter eine kritische Schwelle 7 wirkt.

Das VR-Feedback ermöglicht es, mehrere reproduzierbare Manipulationen auszuführen, jedes Mal nach dem gleichen zuvor aufgezeichneten Flugbahn. Die Reproduzierbarkeit wird durch starke Ähnlichkeiten in der I (x, y, z) und & Dgr; f (x, y, z) -Daten in Figur 11 angedeutet ist . Da die Form der Flugbahn, hängt auch von der genauen Form der Spitze Spitze führen wir ein Experiment, bei dem ein und dasselbe Molekül entlang ähnlichen Trajektorien manipuliert wird, um die gleiche Spitzenscheitelstruktur beibehalten wird. Eine unveränderte Spitzenform wird durch die Reproduzierbarkeit der Kontaktstelle zwischen Hebeversuchen verifiziert. Das Molekül wird nicht vollständig aus der Schicht herausgezogen, aberJedes Mal , in seine freie Stelle zurück , nachdem die Aufzeichnung ( für sich, solange die Bindung nicht brechen) gestoppt wird, die Wahrscheinlichkeit der Auslösung einer Veränderung des Scheitels als Folge der hohen Kräfte beim vollständigen Entfernung abzusenken. 11 zeigt die 3D Trajektorien eines solchen Experiments, in dem das Molekül wiederholt entlang zwei Bahnen 8 gezogen wurde.

Abbildung 1
Abbildung 1. Abbildung des Manipulationsprozess. (A) Extraktion eines einzelnen PTCDA Molekül von einer Insel durch Manipulation kontaktieren (vier Spitze Spitze Atome sind dargestellt). (B) Beispiel I (z) und Af (z) Kurven während der Extraktion eines Moleküls durch HCM erfasst. Bitte klicken Sie hier , um die sehen eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 1
Abbildung 6. STM - Bild einer kompakten PTCDA Insel auf Ag (111). Die Bildgröße ist 600 x 600 Å 2 und die Tunnelbedingungen sind I = 0,1 nA und V b = -0,35 V. Eine Lücke im Film zu sehen ist Ergebnis der Extraktion von drei Molekülen. Extrahiert Moleküle wurden zurück auf die Oberfläche (untere linke Ecke des Bildes) wieder abgelagert. Der Einschub zeigt ein 50 x 30 Å 2 STM - Bild, das den typischen Kontrast von PTCDA zeigt, der von seinem niedrigsten unbesetztes Orbital (LUMO) stammt. Die reaktiven Carbonsauerstoffatome von PTCDA, die zur Kontaktierung des Moleküls verwendet werden, werden durch zwei rote Kreuze markiert. Die molekulare Orientierung kann nach Lit. ableiten. 17.ove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig6large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 1
Abbildung 7. Frequenzantwortspektrum. Dargestellt ist der Frequenzgang des Stimmgabel - Sensor (TFS) , gemessen in UHV und bei 5 K Entsprechende Q-Faktor - Wert etwa 70.000. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 1
Abbildung 8. I (z) Kurven während der Prüfung der Spitze-Molekül Kontakt aufgenommen. Der Kontakt durch Annäherung an die Spitze in Richtung einer der festgestellt wirdCarbonsauerstoffatome von PTCDA. Der Ansatz Abstand & Delta; z aus dem Stabilisierungspunkt I = 0,1 nA, V b = -0,35 Vis etwa 4 Å. Sowohl Ansatz (schwarz) und Rückzug (rot) Kurven wurden mit der Vorspannung V b aufgezeichnet = -5 mV. Sharp Sprung bei z = 0 Å in der Annäherungskurve beobachtet tritt aufgrund des Sauerstoffatom von PTCDA an der Spitze schnappen und die Spitze-Molekül Kontakt zu bilden. Nachdem der Kontakt gebildet wurde, wurde die Spitze vertikal zurück in seine Ausgangsposition zurückgezogen. Da die Spitze seinen Kontakt mit dem Molekül bei z 0,3 = Å gebrochen zurückgezogen wurde. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 1
9. Beispiel für die Nanostrukturierung einer molekularen Schicht von HCM. Das STM - Bild (stabilisierung Punkt: I = 0,1 A, V b = -0,35 V) zeigt 47 offene Stellen durch aufeinanderfolgende Entnahme einzelner PTCDA Moleküle durch HCM erstellt , ohne die visuelle Rückmeldung der virtuellen Realität 3D verwenden. Die Einschübe zeigen eine Folge von Manipulationen einen "Schreibfehler" zu korrigieren, eine freie Stelle durch eine von der Insel Kante entfernt Molekül zu füllen. (Aus Lit.. 7) Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 1
Abbildung 10. Eine perspektivische Ansicht 34 manipulation Trajektorien zeigt, die zur erfolgreichen Entfernung von PTCDA vom einschichtigen geführt all. Alle der Trajektorien aufgezeichnet wurden , während das Muster in 9 gezeigt zu schaffen. The Einschub zeigt eine Projektion eines 7 Å Radius Kugel um den Kontaktpunkt und zeigt an, wo erfolgreich (rot) und erfolglos (schwarz) Trajektorien Sphäre eindringen. Alle erfolgreichen Bahnen konzentrieren sich in einem relativ engen Raumwinkel Ω (nach Lit.. 7). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 1
Abbildung 11. Manipulation Trajektorie Verfeinerung und Reproduzierbarkeit. Projektion von 3D - Spitze Trajektorien mit HCM mit 3D - visuelles Feedback der virtuellen Realität aufgezeichnet auf einem Molekül innerhalb eines PTCDA / Ag (111) Insel. Der Einschub in (a) zeigt drei Manipulationsversuchen durch den Experimentator auf der Suche nach dem (erfolgreichen) abgeknickt Trajektorie sh ausgeführtSelbst in (a) und (b). Die graue Kurve ist die Bahn aus Mitteln der Bahnen in Abbildung 10 erhalten. Nach oben und Seitenansichten von sieben Manipulationsversuche nach dem gemittelten Trajektorie (kein Erfolg) und sieben Versuche entlang einer neu gefundenen geknickte Bahn (alle erfolgreich). Die Farbcodierung zeigt (a) log (I (x, y, z)) und (b) & Delta; f (x, y, z). (Aus Lit.. 8) Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Wie bei anderen SPM-basierten Verfahren, die molekularen Manipulationsversuche in diesem Papier beschrieben hängen auch in gewissem Umfang von den Eigenschaften der SPM-Spitze. Die Spitze Spitze Struktur (die nicht vollständig kontrolliert werden kann) bestimmt die Stärke des Spitzen-Molekül-Bindung. Daraus ergibt sich die Stärke des Spitzenmolekülkontakt kann erheblich variieren und damit kann manchmal zu gering sein. Daher innerhalb des Protokolls verweisen wir auf einige grundlegende Tests der Spitze Qualität und Spitzenbehandlungsverfahren. Doch eine schwere Spitze Behandlung könnte in einigen Fällen erforderlich sein, um zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen Manipulation.

Ein weiterer kritischer Aspekt Manipulation mit einer NC-AFM / STM des Inkontaktbringens ist die Oszillation des qPlus Sensor während der Manipulation. Mit zunehmender Amplitude wird die kontrollierte Manipulation schwieriger , da die Stimmgabel die Spitze vertikal nach oben und unten um insgesamt 2A 0 bewegt. In der Grenze von großen Amplituden ist die Spitzeimmer von der Oberfläche entlang einer vertikalen Bewegungsbahn zurückgezogen, die entscheidend die Manipulation beeinflusst. Deshalb, wenn die Rauscheigenschaften des verwendeten NC-AFM / STM ermöglicht nicht mit Amplituden arbeiten weit unter 1 Å sollte man versuchen , Manipulation im STM - Modus betrachten, dh ohne Anregung der Stimmgabel. Während keine Informationen über kann die Übergangssteifigkeit in diesem Fall erhalten werden, kann die Leitfähigkeit allein ausreichend sein Manipulation zu überwachen.

Die Verwendung von HMD zur Visualisierung von Spitzenbahndaten hat Vorteile, aber auch Einschränkungen. Ein klarer Vorteil ist der Gewinn an Präzision und Intuition (in Echtzeit!), Wenn man in einer echten 3D-virtuellen Szene-Umgebung arbeitet. In diesem Zusammenhang finden wir den Ansatz der virtuellen Realität viel effektiver als "offline" Inspektion der Bahndaten auf einem Standard-Display sein. Auf der anderen Seite HMD trägt erschwert den Betrieb mit Labor-Ausrüstung, so dassdie wichtige hat Messdaten in die VR (siehe Abbildung 6) on-line zu betrachten projiziert werden. Diese Beschränkung in Zukunft können mit den Augmented virtual reality-Schnittstellen in dem die 3D-Virtual-Reality-Szene über das reale Bild der Laborumgebung überlagert wird direkt überwunden werden.

Obwohl es gibt auch andere Ansätze , die Paar ein Virtual - Reality - Umgebung und MCS eine AFM diese Setups für die Mikro- und Submikrometerbereich Manipulation unter Umgebungsbedingungen 18 angegeben sind zu kontrollieren. Im Hinblick auf die Manipulation von einzelnen Molekülen mit atomarer Genauigkeit unserer Kombination von MCS, HMD und LT-SPM ist einzigartig. Hand gesteuerte Manipulation gibt einen einzigartigen intuitive Zugang zu dem Problem der molekularen Manipulation. Mit dem Grad der Kontrolle angeboten werden, können eine spektroskopische Untersuchungen von einzelnen Molekülen in unterschiedlichen Konfigurationen durchführen, mehr über die grundlegende Physik zu verstehens in einem solchen Metall-Molekül-Metall-Kontakte. die Methode in diesem Dokument beschriebenen ermöglicht eine komplexe Potentialflächen zu "lernen", die die Wahrscheinlichkeit für den Erfolg eines bestimmten Manipulationsversuch ermitteln. erworben ausreichend Intuition eines mit konnte übertragen, der mit einem Computer zu lernen, schließlich den Manipulationsprozess zu automatisieren. Eine weitere Folge zukünftige Entwicklung des Verfahrens ist die Kombination mit einem atomistischen Echtzeitsimulation des Manipulationsprozess, der eine noch direkteres Feedback für den Experimentator erlauben würde.

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

Technik Heft 116 STM NC-AFM Einzelmolekül-Manipulation Virtual-Reality-Schnittstelle PTCDA 3D-Visualisierung Nanotechnologie
Hand kontrollierte Manipulation einzelner Moleküle über ein Rastersondenmikroskop mit einer 3D-Virtual-Reality-Schnittstelle
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