التحكم ناحية التلاعب احدة الجزيئات عن طريق المجهر التحقيقي مع واجهة الواقع الافتراضي 3D

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

النظر في الجزيئات العضوية لبنات بناء الوظيفية لتكنولوجيا النانو في المستقبل، فإن مسألة كيفية ترتيب وتجميع لبنات البناء هذه في النهج التصاعدي لا يزال مفتوحا. مجهر المسح التحقيق (SPM) يمكن أن يكون أداة للاختيار. ومع ذلك، تم التلاعب على أساس SPM-حتى وقت قريب مقصورة على بعدين (2D). ربط طرف SPM إلى جزيء في موقف محددة جيدا يفتح فرصة للتلاعب التحكم في الفضاء 3D. للأسف، والتلاعب 3D غير متوافق إلى حد كبير مع نموذجي 2D-نموذج البيانات عرض وSPM توليد على جهاز كمبيوتر. للتلاعب بديهية وكفاءة وبالتالي فإننا بضع درجات الحرارة المنخفضة وعدم الاتصال القوة الذرية / مجهر مسح نفقي (LT NC-AFM / STM) إلى نظام التقاط الحركة وغامرة تماما نظارات الواقع الافتراضي. يسمح هذا الإعداد "اليد التي تسيطر عليها التلاعب" (HCM)، الذي يتم نقل معلومات سرية SPM وفقا لاقتراح من ناحية المجرب، وثhile مسارات طرف وكذلك استجابة من مفترق الطرق SPM هي تصور في 3D. HCM يمهد الطريق لوضع بروتوكولات التلاعب المعقدة، مما قد يؤدي إلى فهم أفضل أساسيا في التفاعلات النانوية تعمل بين الجزيئات على السطوح. نحن هنا وصف الإعداد والخطوات اللازمة لتحقيق النجاح التي تسيطر عليها اليد التلاعب الجزيئي ضمن بيئة الواقع الافتراضي.

Introduction

ودرجات الحرارة المنخفضة وعدم الاتصال القوة الذرية / مجهر مسح نفقي (LT NC-AFM / STM، في ما يلي ملخص لواضعي السياسات يسمى ببساطة) هو الأداة المفضلة للتلاعب الدقيق بالذرة من الذرات الفردية أو جزيئات 1-3. يقتصر التلاعب على أساس SPM-عادة إلى بعدين، ويتكون من سلسلة من الأحداث التلاعب مفاجئة وغالبا العشوائية (يقفز). وهذا يحد بشكل أساسي السيطرة على العملية. الاتصال جزيء في السؤال من طرف الرابطة الكيميائية واحد في موقف الذري واضحة المعالم يقود إلى النهج الذي يمكن التغلب على هذه القيود 4-9. طوال التلاعب بها يرتبط جزيء الاتصال إلى طرف SPM بحيث يتحرك الجزيء في جميع الأبعاد الثلاثة نزوح المناسبة من طرف يصبح ذلك ممكنا. وهذا يخلق إمكانية لمختلف الإجراءات التلاعب معقدة قام في الفضاء 3D. ومع ذلك، قد يكون التلاعب الاتصال مرحباndered بواسطة تفاعلات جزيء التلاعب مع السطح و / أو جزيئات أخرى في محيطها، الأمر الذي قد يخلق القوات التي تكون كبيرة بما يكفي لتمزق الاتصال طرف جزيء. بالتالي 3D مسار معين من طرف SPM قد أو قد لا يؤدي إلى حالة التلاعب الناجح. وبالتالي هناك سؤال يطرح نفسه كيف لتعريف البروتوكولات التي تؤدي إلى الانتهاء بنجاح من التلاعب في الظروف عندما السندات طرف جزيء لديه قوة محدودة، في حين أن التفاعلات بين الجزيئات التلاعب مع بيئته ليست-بداهة تتميز أيضا.

هنا اقترب هذا السؤال في تصورها بطريقة أكثر سهولة. يسمح المجرب للسيطرة على النزوح من طرف SPM ببساطة عن طريق تحريك أيديهم 7. ويتحقق ذلك من خلال اقتران SPM إلى نظام التقاط الحركة التجارية، وبعض المواصفات التي ترد أدناه. ميزة "اليد التي تسيطر عليها التلاعب" (HCM) هي في تيانه القدرة مجرب لمحاولة الخروج مسارات التلاعب المختلفة بسرعة والتعلم من الفشل أو النجاح.

وقد استخدم الإعداد HCM لإجراء تجربة إثبات صحة المبدأ الذي تم رسمت كلمة ( "يوليش") في طبقة مغلقة من perylene-3،4،9،10-tetracarboxylic dianhydride (PTCDA) جزيئات على حج ( 111)، وإزالة 48 الجزيئات، واحدا تلو الآخر، مع HCM 7. رفع جزيء من يشق سطح الجزيئات السندات الهيدروجين والتي تربط بين الجزيئات في أحادي الطبقة 10. عادة القوة الإجمالية للسندات الجزيئات الحالية تزيد من قوة الرابطة الكيميائية وحيد بين ذرة الخارجية من طرف وذرة أكسجين الكربوكسيلية من PTCDA التي يتم الاتصال جزيء (انظر الشكل 1). وهذا قد يؤدي إلى تمزق في الاتصال طرف جزيء وفشل التالية من محاولة التلاعب. مهمة المجرب هو بالتالي determiشمال شرق مسار طرف لكسر الروابط بين الجزيئات مقاومة بالتتابع وليس في وقت واحد، حتى أن إجمالي القوة المطبقة على اتصال طرف جزيء لم يتجاوز قوتها.

على الرغم من أن مسار المطلوب قد من حيث المبدأ أن يكون محاكاة، نظرا لحجم وتعقيد النظام المعنية أن المحاكاة اللازمة تأخذ كمية كبيرة باهظة من الزمن. وعلى النقيض من ذلك، باستخدام HCM كان من الممكن إزالة جزيء الأول بعد 40 دقيقة. في نهاية التجربة استغرق استخراج بالفعل وقتا أقل بكثير مما يؤكد فعالية من الإجراء التعلم. بالإضافة إلى ذلك، ودل على دقة وبراعة الأسلوب HCM في فعل التلاعب العكسي عندما تم استخدام جزيء المستخرجة من الموقع المجاور لإغلاق الفراغ غادر بعد إزالة الخاطئة من جزيء آخر من أحادي الطبقة.

نهج التقاط الحركة، في حين يجري بسرعة وسهولة، هوتقتصر على توليد البيانات بلاغ مسار. لمزيد من التطوير المنهجي للبروتوكولات التلاعب الجزيئي جديدة من المهم أيضا أن تكون قادرة على عرض البيانات طرف مسار في الوقت الحقيقي، وكذلك لتحليل البيانات التي تم إنشاؤها سابقا. لذلك، تم تعزيز وظيفة الإعداد HCM إلى حد كبير عن طريق إضافة نظارات الواقع الافتراضي التي تسمح التجريبي لرؤية البيانات المرسومة في المشهد الظاهري 3D حيث يجري تضخيم مسار غيض من قبل التيار (I) والتحول تردد (Δf) القيم المقاسة من SPM في الوقت الحقيقي 8 (أنظر أدناه). بالإضافة إلى ذلك، يظهر المشهد الواقع الافتراضي نموذجا للجزيء التلاعب التي هي بمثابة إشارة على نطاق والبصرية. وهكذا الإعداد HCM لما قدمته من واجهة الواقع الافتراضي هو مناسبة لرسم الخرائط المنهجي للمساحة التلاعب مسار وصقل التوالي من البروتوكولات التلاعب واعدة. وبالاضافة الى ذلك النظام ييسر أيضا نقل المعرفة بين دتجارب ifferent. الفقرات التالية تعطي وصفا للإعداد وبعض المواصفات والتي لها صلة للتجارب التلاعب.

يتم تنفيذ التجارب في فائقة فراغ (الفائق) عند ضغط قاعدة 1 × 10 -10 م بار مع SPM تجاري يتكون من غرفة تحضير وغرفة التحليل. وقد تم تجهيز غرفة التحضير مع: AR + المصدر المستخدم لعينة الاخرق، نقل العينة عبر مناور (يسمح التدفئة والتبريد من العينة)، وانخفاض الطاقة حيود الإلكترون (LEED)، خلية كنودسن مخصصة (K-الخلية) التي تحتوي على مسحوق PTCDA تنقيته من التسامي. وقد تم تجهيز غرفة التحليل مع: LN 2 حمام ناظم البرد مع حجم 12 لترا ووقت عقد من 46 ساعة، LHE حمام ناظم البرد (5 لتر، 72 ساعة)، Besocke 11 من نوع خنفساء SPM مجهزة مع جهاز استشعار الشوكة الرنانة 12 ( TFS) تتألف من مفترق الكوارتز ضبط مع تلميح PtIr كهربائيا (لعملية STM)، الذي قطع وشحذ بواسطة شعاع الأيون (FIB) (الشكل 2).

شكل 1
الشكل 2. ضبط استشعار شوكة (أ) صورة من جهاز استشعار الشوكة الرنانة التجاري مع تولي طرف PtIr. (ب) ووزارة شؤون المرأة صورة من قمة طرف PtIr قطع مع الاكذوبه. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يتم تشغيل AFM في وضع التضمين التردد (FM) 13 حيث TFS غير متحمس في الرنين (و 0 ≈ 31080 هرتز) مع بيزو ارتجف. يتم تضخيمه إشارة كهرضغطية من الشوكة الرنانة تتأرجح والتي يستخدمها مرحلة مقفل حلقة (PLL)، والتي تحافظ على اتساع ثابت التذبذب في TFS ويتتبع التغيرات في طنهاية الخبر تردد صدى، Δf = و - و التي تنبع من التدرج من القوة المؤثرة على الحافة. كما هو مبين في الشكل (3) وسيطر على الموقف SPM غيض من الفولتية (ش س، ش ص، ش ض) تطبق على مجموعة من X-، Y-، ض piezos (الثوابت بيزو في 5 K: س = 15، ص = 16، ض = 6 A / V). يو س، يتم إنشاؤها ش ص، ش -voltages ض (± 10 V في 20 بت القرار) في مخرجات SPM الالكترونيات. وتتضخم أنها أبعد من ذلك مكبر للصوت الجهد العالي (HV) الذي يحتوي على أقصى الجهد الناتج من ± 200 V.

شكل 1
الشكل 3. الخطط من الإعداد HCM. موقف (كائن تعقب) إلى أن لديها متعددة (الأشعة تحت الحمراء) مصادر الأشعة تحت الحمراء المثبتة على سطحه يتم تعقبها من قبل اثنين من كاميرات الأشعة تحت الحمراء للنظام التقاط حركة (MCS). TipControl ذلكftware يحصل على لإحداثيات (س، ص، ض) من MCS ويمررها إلى مصدر التيار الكهربائي عن بعد (RVS) الذي يولد مجموعة من الفولتية (ت س، ت ص، ت ض) أن تتلخص مع الفولتية (ش خ ، ش ص، ش ض) التي تنتجها الالكترونيات SPM للسيطرة على الموقف SPM طرف. يمر التيار الكهربائي المضافة من خلال مكبر للصوت عالية الجهد (HV) ويطبق أيضا على نظام بيزو لتحديد المواقع من طرف SPM. الإعداد يسمح التحكم اليدوي من المواقع تلميح عندما حلقة مفرغة SPM (FB) مفتوحة. موقف (س، ص، ض) من طرف وكذلك أنا (س، ص، ض) وΔf (س، ص، ض) تم تمريرها إلى البرنامج VRinterface أن المؤامرات في المشهد الظاهري 3D ينظر من قبل المشغل يرتدي عرض رئيس محمولة (HMD). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

نفق التيار الذي يتدفق بين طرف SPM ويتم قياس السطح من خلال مكبر للصوت transimpedance مع زيادة متغير يتراوح بين 1 × 03-01 أكتوبر × 10 9 خامسا / أ (عرض النطاق الترددي في كسب 1 × 10 9 V / A هو 1 كيلو هرتز). ويتم تغذية الانتاج من مكبر للصوت في حلقة مفرغة STM (FB) لتنظيم ارتفاع الحافة فوق السطح في وضع المسح الحالي مستمر. استقرار تقاطع (مع التذبذب TFS إيقاف) 1-3 مساء. يتم تضخيمه إشارة التذبذب كهرضغطية من TFS على مرحلتين: (1) المضخم ثابتة على الدرع LN 2 (الحصول على 1 × 10 8 V / A، عرض النطاق الترددي كيلو هرتز 20)، و (2) خارجي مكبر للصوت الجهد مع زيادة متغير من 1 س 01 حتي 05 أكتوبر × 10 4 وعرض النطاق الترددي من 1 ميغاهيرتز.

للتجارب HCM، تم تمديد الإعداد SPM مع: نظام الحركة القبض على (MCS)، يمكن السيطرة عليها عن بعد مصدر متعددة الجهد (RVS)، ملخصا مكبر للصوت ورئيس الواقع الافتراضي شنت الشاشة (HMD). جميع الأجهزة المذكورة باستثناء summiتم الحصول عليها نانوغرام مكبر للصوت تجاريا.

MSC هو (الأشعة تحت الحمراء) نظام علامة تتبع الأشعة تحت الحمراء التي تسمح قرار ملليمتر من نزوح المكانية بمعدل 100 هرتز. ويتكون النظام من اثنين من كاميرات الأشعة تحت الحمراء، كائن تتبعها (TO) وبرنامج التحكم. برنامج MCS يحصل على X-، Y-، ض إحداثيات للفي الفضاء 3D عن طريق تحليل الصور التي حصلت عليها اثنين من كاميرات. يوفر MCS مكتبة البرمجة التي تسمح باستخدام إحداثيات للفي أحد البرامج منفصلة.

يتم تمرير إحداثيات لل(X ل، Y ل، ض TO) إلى غير متطورة مخصصة برنامج حاسوبي "TipControl". ويبين الشكل 4 لقطة من واجهة المستخدم الرسومية. يتم تنشيط البرنامج عن طريق زر "ابدأ" في الإطار. بعد تفعيل (τ = 0) البرنامج يضع كل الخامس س - ت ص - ت ض -voltages على RVS (مدى الجهد ± 10 V في 16قرار بت، 50 مللي ثانية الكمون في خطوة الجهد) وفقا لتعبير التالية المعادلة 1 الخ، حيث ج س، ج ص، ج ض هي العوامل التي تحول 5 سم من تشريد للفي 1 تشريد من طرف SPM. العوامل ع س (ر)، ص ص (ر)، ص ض (ر) لديها قيم التي يحددها وضع X-، Y-، ض خانات في إطار البرنامج. إذا تم تحديد خانة ثم ع المقابلة (ر) من المقرر أن 1. جميع ص (ر) يتم تعيين إلى 0 في لحظة عندما يتم الضغط على زر "وقفة" في إطار البرنامج. التي تسمح للمشغل مؤقتا "تجميد" موقف الطرف. الضغط على زر "إعادة تعيين جميع" في إطار البرنامج يحدد الخامس س - ت ص - ت ض -voltages إلى الصفر والتي ترجع تلميح إلى الموقف المبدئي المحددة لها من قبل البرنامج SPM. حقل النص "اليدوي الأوامر لRVS" في كاليفورنيا إطار البرنامج ن أن تستخدم لتعيين أي من الخامس س - ت ص - ت ض -voltages إلى أي قيمة في النطاق المسموح به من ± 10 خامسا الخامس س - ت ص -، -voltages ضد ض التي تولدها تضاف RVS إلى ش خ - ش ذ - ش ض الإشارات والمخرجات الجهد الالكترونيات SPM عبر مكبر للصوت التلخيص (كسب 1، عرض النطاق الترددي 50 كيلو هرتز، ومجموعة الناتج ± 10 V).

شكل 1
الشكل 4. لقطة من النافذة واجهة. مؤشران يحمل حالة اتصال مع أنظمة الإشراف ورفس. يتم استخدام خانات الاختيار لتنشيط تسليم السيطرة على طول محاور المكانية المختارة. على زر "ابدأ" يبدأ تدفق البيانات بين MCS، TipControl ورفس وفقا للمخطط هو مبين في الشكل (3). زر "توقف" توقف تدفق البيانات. زر "إعادة تعيين جميع" يحدد كل RVS الفولتية إلى الصفر.= "https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg" الهدف = "_ فارغة"> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

لرؤية البيانات التجريبية (مسار طرف، وأنا، Δf) يستخدم لعرض رئيس محمولة (HMD). يوفر HMD رؤية مجسمة (تقسيم شاشة HD - نصف لكل عين، 1920 س 1080 بكسل في 75 هرتز). كاميرا الأشعة تحت الحمراء مخصصة المسارات موقف وتوجه HMD في الفضاء 3D باستخدام الأشعة تحت الحمراء المصابيح ثابتة على سطح HMD. نظام تتبع HMD يسمح للمشغل لتغيير وجهة نظر داخل المشهد الواقع الافتراضي 3D قبل مطلع رؤوسهم أو ببساطة تحريك أجسامهم.

البرنامج العرف مكتوب "VRinterface" بجمع البيانات من كل من الحركة الوطنية الصومالية وMCS، يجعلها في المشهد 3D باستخدام برنامج OpenGL ويعرضها في HMD بمساعدة مجموعة تطوير HMDS البرامج (SDK). VRinterface باسترداد X- الفعلية،، الإحداثيات ض Y- من طرف مباشرة منبرنامج طرف (قليل من ميلي ثانية واحدة الكمون) في حين أن قراءة الإشارات الأولى وΔf مباشرة من مخرجات الالكترونيات SPM (الكمون ≈ 250 ميللي ثانية). الشكل 5 يظهر لقطة من المشهد الظاهري 3D كما رأينا من قبل المشغل ارتداء HMD خلال HCM. داخل المشهد الظاهري 3D يتم تقديم قمة طرف كمجال الأبيض. تلوين مسارات طرف سجلت يعكس قيم إما السجل (أنا (س، ص، ض)) أو Δf (س، ص، ض). ويتم التبديل بين السجل (أنا (س، ص، ض)) أو Δf (س، ص، ض) وسائط اللون عن طريق الضغط على زر. على زر آخر يبدأ تسجيل (وعرض) من البيانات طرف مسار التجريبية. عند الضغط عليه مرة أخرى على زر يتوقف التسجيل. يظهر المشهد الظاهري أيضا جزيء PTCDA ثابت الذي يستخدم كوسيلة مساعدة بصرية خلال التلاعب. المشغل محاذاة توجهها يدويا لتتناسب مع التوجه للجزيء الحقيقي على سطح باستخدام الأزرار الموجودة على لوحة المفاتيح.

الحذر: لأن رئيس رالأرفف من HMD تعتمد على الأشعة تحت الحمراء نظام بيانات تطبيق القانون، فإنه قد تتداخل مع MCS لأنه يستخدم أيضا ضوء الأشعة تحت الحمراء لتتبع موقف لل. بالتالي لا بد أن يكون شكل فريد معترف بها من قبل MCS. وهذا يساعد على الإشراف على التمييز بين الإشارات التي تأتي من لوتلك القادمة من الأشعة تحت الحمراء نظام بيانات تطبيق القانون من HMD.

شكل 1
الرقم 5. S creenshot من المشهد الظاهري 3D عرض للمشغل في HMD خلال HCM. وهناك مجموعة من المجالات البيضاء يشكل نموذجا حج (111) السطح. اتجاه سطح النموذج قد لا تتطابق بالضرورة مع التوجه للعينة. يتم وضع نموذج للجزيء PTCDA فوق سطح النموذج. C، O، وتظهر ذرات H من PTCDA في الأسود والأحمر والأبيض على التوالي. لغرض التوجه الراحة السمتي للجزيء نموذج يمكن تعديلها لتتناسب مع التوجه للجزيء الحقيقي المختارللتلاعب. يتم وضع علامة على موقف غيض من كرة بيضاء واحدة تمثل أبعد ذرة طرف قمة. في الوقت الحقيقي الأول (س، ص، ض) وΔf يتم عرض (س، ص، ض) البيانات والمؤشرات شريط توضع بجانب الحافة. سجلت سابقا وكذلك يتم عرض التلاعب تنفيذها حاليا منصب مسارات 3D الذي يمثل اللون إما السجل (أنا (س، ص، ض)) أو Δf (س، ص، ض) القيم المقاسة في مواقف مسار المقابلة. يوضح الشكل المسارات التي يتم الملونة مع السجل (أنا (س، ص، ض)) إشارة. يمكن أن تنتقل التباين بين لون السجل (أنا (س، ص، ض)) وΔf (س، ص، ض) وسائط عن طريق الضغط على زر. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تحذير: PTCDA يمكن أن تكون مهيجة للجلد أو العينين، وبالتالي ينبغي التعامل معها بحذر باستخدام القفازات المناسبة. يرجى الرجوع إلى الكتيبات السلامة المناسبة. يمكن السوائل المبردة آثارا على الجلد مشابهة لالحروق الحرارية أو يمكن أن تسبب الصقيع في التعرض لفترات طويلة. دائما ارتداء النظارات الواقية والقفازات المبردة المناسبة عند التعامل مع السوائل المبردة. الغاز التي شكلتها السوائل المبردة بارد جدا وعادة أثقل من الهواء ويمكن أن تتراكم بالقرب من الهواء الطابق تشريد. عندما لم يكن هناك ما يكفي من الهواء أو الأكسجين، والاختناق والموت يمكن أن يحدث. يرجى الرجوع إلى الكتيبات السلامة المناسبة.

التحضير 1. عينة

  1. ترسب PTCDA على حج (111)
    ملاحظة: يجب أن يكون تغطية أحادي الطبقة (ML) من PTCDA بين 10-30٪ وتتركز في كبيرة، والجزر المدمجة (الشكل 6). هذا الوضع المثالي للقيام بتجارب التلاعب في حين وجود سطح معدني بما فيه الكفاية نظيفة لpreparati طرفعلى.
    1. تنظيف حج (111) وضوح الشمس قبل ترسب مع إجراءات موحدة من تفل ويصلب دورات 14.
      1. تفل الكريستال مع أيونات هارون + لمدة 15 دقيقة. استخدام الضغط هارون في 1 × 10 -5 م بار، وهو أيون الطاقة من 0.8 كيلو وضوح الشمس في درجة حرارة الغرفة (RT).
      2. يصلب العينة على 530 درجة مئوية لمدة 15-30 دقيقة.
    2. استخدام PTCDA K-خلية لإيداع 0.1-0.3 مل من PTCDA على حج (111) عينة في RT 14.
      ملاحظة: يتم إعطاء لا معلمات الترسيب، لأن الظروف ترسب قد تختلف من الإعداد لبرنامج الإعداد.
    3. بعد الترسيب، فلاش العينة إلى 200 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة لتحسين ترتيب الجزر PTCDA ويلتفظ التلوث المحتملة.
    4. اختياريا، تفقد ترسب مع LEED عن طريق التحقق من نمط حيود PTCDA على حج (111) (15).
    5. استخدم الإجراء الإعداد محددة لنقل العينة إلى SPM. عادة، استخدام manipulatoص قادرة على نقل خطي داخل الفائق وربما إلى جنب تمايل العصا.
  2. تحقق من إعداد العينات في SPM.
    1. انتظر بعد نقل عينة حتى درجة حرارة SPM هي قريبة إلى درجة الحرارة قاعدة (هنا: 5 K). مدة في الإعداد وصفت حوالي 1 ساعة لعينة تبريده الى درجة حرارة LN 2 أثناء النقل.
    2. استخدم الإجراء الإعداد محددة من الاقتراب من طرف إلى السطح (في الوضع الحالي مستمر) حتى يظهر نفق الحالية.
    3. اختيار تعويض الجهد من الجهد العالي مكبر للصوت بحيث ش ض = 0. هذا سيكون وضع المعايير في جميع أنحاء رقة، إن لم يكن ينص على خلاف ذلك.
    4. تفقد إعداد عينة مما يجعل ثابتة الصور STM الحالية (نقطة مجموعة: I = 0.1 غ، والتحيز الجهد V ب = -0.35 V تطبيقها على عينة، مكبر للصوت مكاسب الحالي 1 × 10 9 خامسا / أ) من السطح. المعلمات نظرا تسهل التصوير من أدنى unoccupieد الجزيئي المداري (LUMO) من PTCDA. وهذا يساعد على تحديد موقع ذرات الأكسجين الكربوكسيلية للجزيء اختياره للتلاعب (أقحم من الشكل 6).
    5. إعداد غيض حتى تبدو الصور STM مشابهة الشكل 6. على سبيل المثال البقول استخدام 5-6 الخامس على مسافات الفصل طرف السطح التي تتوافق مع نقطة مجموعة التصوير الحالية أو نقل معلومات سرية من 7-10 Å (من وجهة الاستقرار ) نحو سطح نظيف حج (111) أثناء تطبيق الخامس ب = 0.1 V للعينة. تحطم طرف أعمق في حالة وجود طرف مزدوج. لا تستخدم نبضات مقربة من الجزر PTCDA!

2. إعداد AFM عملية مع TFS

  1. تعيين المعلمات PLL الخاصة بالنظام لFM-AFM مثل هذا الكشف Δf هو ممكن مع الظروف الضوضاء مقبولة وسرعة الكشف (على سبيل المثال، 0،1-0،5 الضوضاء هرتز في Δf خلال 7 عرض النطاق الترددي هرتز في التذبذب السعة TFS حوالي 0،2-0،4 Å ).
  2. 0 من TFS.
    1. التراجع غيض من السطح إلى أقصى مسافة للتحكم SPM غير قادرة على الوصول إلى (على سبيل المثال، عن طريق وضع ت ض = -10 V التي في حالة الإعداد الموصوفة هنا تتراجع غيض من على سطح الأرض بحوالي 180 ألف).
    2. تسجيل منحنى الرنين (TFS التذبذب السعة مقابل تردد محرك الأقراص في المستمرة TFS الإثارة السعة) باستخدام برنامج SPM.
    3. قراءة و تردد صدى 0 لأن الموقف من الحد الأقصى للمنحنى الرنين على المحور تردد. ويتم احتساب Q-عامل من قبل البرنامج من عرض ذروة الرنانة. س عامل من الإعداد وصفت ما بين 50،000-70،000 (الشكل 7).
  3. ضع طرف على مساحة سطح نظيف حج (111) ومعايرة التذبذب السعة TFS التالية المرجع. 16.

3. التكامل سو MCS في إعداد SPM

  1. تجميع ومعايرة MCS وفقا لدليل تم الحصول عليها من الشركة المصنعة. وتشمل معايرة تحديد أصل MCS نظام تنسيق.
  2. بعد اليدوي نظام التبديل على لوإضافته ككائن تعقبها في برنامج MCS.
  3. تحقق مما إذا كان تتبع يعمل بشكل صحيح عن طريق تحريك للفي حجم الكشف وبعد موقفها عرض بواسطة برنامج MCS.
  4. اختبار الاتصال بين RVS والبرامج عن طريق إرسال أمر اختبار لRVS من النافذة (انظر الشكل 4).
  5. اختبار الاتصال بين MCS، RVS وTipControl.
    1. تحقق مما إذا كان الإصدار X - ت ص - يتم تعيين -voltages ضد ض RVS 0 V وإعادة تعيين لهم إذا لزم الأمر.
      1. التراجع غيض من على سطح الأرض (2.2.1).
      2. اضغط على "إعادة تعيين جميع" زر في إطار البرنامج لإعادة ت س - ت ص - ت ض -voltages في إخراج RVS.
      3. اpproach غيض مرة أخرى إلى السطح مع FB حلقة مغلقة (1.2.2).
    2. وضع أكثر من طرف سطح نظيف حج (111) باستخدام الإعداد وظيفة محددة من البرنامج SPM.
    3. تحقق X-، Y-، ض خانات في إطار البرنامج. ينشط هذا الوضع للسيطرة على يد موقف طرف على جميع المحاور المكانية الثلاثة.
    4. اضغط على "ابدأ" في إطار البرنامج.
    5. التأكد من أن ت س - ت ص -، -voltages ضد ض الناتجة عن RVS الاستجابة بشكل صحيح للحركة إلى جانب كل من المحاور. بينما تتحرك على طول ض محور (عموديا على السطح)، ومراقبة رد فعل حلقة FB الذي يحاول تعويض تطبيقها من RVS V عالية التوتر ض.
    6. اضغط على "وقفة" في إطار البرنامج.
    7. اضغط على "إعادة تعيين كافة" في إطار البرنامج.

4. دمج HMD في إعداد SPM

  1. تأكد من توصيل HMD وكل حديد الاختزال المباشر ضرورييتم تثبيت فرس وفقا لدليل من الشركة المصنعة.
  2. بدء VRinterface وتأكد من أنه يجعل سطح النموذج، فإن جزيء كثف وغيض (انظر الشكل 5) بشكل صحيح.
  3. محاذاة التوجه للتنسيق نظام لل3D مسرح الواقع الافتراضي ينظر في HMD مع تنسيق محاور MCS.
  4. وضعت على HMD. إذا لزم الأمر، تغيير موضع HMD على رأسك أثناء تنفيذ الخطوات التالية لأي عرض المشهد VR أو بيئة معملية، لوحة المفاتيح وشاشة الكمبيوتر.
  5. اختبار لنقل البيانات المباشر لإشارات الأول وΔf من الالكترونيات SPM، على سبيل المثال، عن طريق تغيير نقطة مجموعة الحالية نفق داخل البرنامج SPM.
    1. تحقق من X-، Y-، ض مربعات من إطار البرنامج.
    2. التقاط لواضغط على زر "ابدأ" في إطار البرنامج.
    3. نقل إلى ومعرفة ما اذا كان المجال الذي يمثل رأس يتحرك بشكل صحيح داخل المشهد 3D الظاهري.
    4. حافظ على يد تمسك لتحقيق استقرار حتى يتم الضغط على زر "توقف" من نافذة البرنامج.
    5. اعزلوا لل.
    6. اضغط على "إعادة تعيين كافة" زر من نافذة البرنامج.

5. إعداد SPM للتلاعب واحدة PTCDA الجزيئات

  1. تعيين STM في الوضع الحالي مستمر مع المعلمات التي تسهل LUMO المقابل لPTCDA وبالتالي تسمح لأحد لتحديد التوجه الجزيئي (نقطة مجموعة: I = 0.1 غ، والتحيز الجهد V ب = -0.35 V تطبيقها على عينة، مكبر للصوت مكاسب الحالي 1 × 10 9 V / A).
  2. تأكد من غيض مستعدة جيدا للتلاعب.
    1. صورة PTCDA. في البرنامج SPM، أدخل المعلمات من أجل الفحص (المنطقة المراد مسحها ضوئيا (مثل 300 × 300 2)، تعيين نقاط عن رد الفعل: I = 0.1 غ والخامس ب = -0.35 V، سرعة المسح الضوئي = 150 نانومتر / ثانية ) واضغط على زر "ابدأ" في البرنامج SPM. القرار من الصورةيجب أن تكون مشابهة إلى الشكل 6.
    2. تأكد من أن Δf الذي يحدث عندما يتم نقل معلومات سرية من نفق اتصال لمسافة كبيرة من السطح (> 100 أ) ليس أكبر بكثير من 5-7 هرتز.
    3. في حال لم تتحقق أي من الشروط المذكورة أعلاه تكرار إعداد أكثر من طرف حج نظيفة (111) سطح (1.2.5).
  3. البحث عن مساحة مناسبة للتلاعب.
    1. استخدام البرمجيات SPM لإيجاد منطقة مشابهة لواحدة هو مبين في الشكل (6) الذي يحتوي على جزيرة PTCDA وبعض المناطق من سطح نظيف حج (111). إذا لزم الأمر، استخدم منطقة نظيفة لإعادة تشكيل الحافة بين محاولات التلاعب مختلفة.
    2. تحديد جزيء داخل جزيرة PTCDA للتلاعب وتسجيل صورة مفصلة STM (على سبيل المثال، 50 × 50 2) كما هو موضح في الشكل (6) اختيار ". SetXYOffset - الأعلى" من القائمة المنسدلة واختيار المنطقة للصورة مفصلة من قبل النقر على لمحة اكبرصورة.
      ملاحظة: لا توجد معايير خاصة لأن كل الجزيئات داخل جزيرة (حوالي 3 جزيئات بعيدا عن حافة) يمكن اعتبار أن يكون مساويا للتلاعب. يجب أن يكون هناك "التراب" مرئية أو المقبل على جزيء. ومن شأن هذا التراب تنتج النقيض من عدم انتظام في الصورة.
  4. اختبار قدرة طرف لربط جزيء PTCDA.
    1. وضع أكثر من طرف واحد من اثنين من ذرات الأكسجين الكربوكسيلية من PTCDA (ملحوظ في الشكل 6) باستخدام الإعداد وظيفة محددة من البرنامج SPM. حدد "SetXYOffset - الأعلى"، ثم انقر فوق في صورة منها.
    2. تسجيل الطيف التي يتم فيها نقل معلومات سرية عموديا نحو السطح 3-5 Å وأنا (ض) يتم تسجيلها باستخدام وظائف الإعداد محددة من البرنامج SPM.
      1. تعيين ثابت الجهد التحيز الخامس ب (على سبيل المثال، 6 فولت) وتحديد منحدر من ارتفاع تلميح إلى نهج ولسحب معلومات من السطح (على سبيل المثال، 4 Å. أقرب والعودة مرة أخرى). ثم انقر على زر "فير. manip" في البرنامج SPM وحدد موقف على الصورة STM معظم سجلت مؤخرا، حيث يجب أن يعدم التلاعب العمودي.
    3. تحقق مما إذا كان تسجيلها الأول (ض) المعارض تشكيل الاتصال بين طرف والجزيء في شكل (ض قرار خارج الطيف المسجلة) حاد زيادة التيار الأول (ض). عادة اتصال قوي بما فيه الكفاية ل0.5-3 رفع من خلال التراجع طرف العمودي (انظر الشكل 8).
      1. إذا لم (ض) منحنى أنا تظهر تكوين اتصال حاد في محاولة واحدة مما يلي:
        1. تغيير الموقف الجانبي من طرف قليلا وكرر الإجراء النهج.
        2. هل تلميح لطيف تشكيل (1.2.5) ومحاولة الاتصال مرة أخرى حتى جزيء سلوك الاتصال مثل واحد هو مبين في الشكل مسجلة 8.
  5. انتظر حتى piezس ذهب زحف (حوالي 2-4 ساعة).
    ملاحظة: مقدار الانحراف يحدد استقرار نقطة اتصال خلال HCM وبالتالي متى يمكن للمرء أن تنفيذ التلاعب متتالية مع نفس الجزيء دون إعادة تفحص المنطقة.
    1. اختبار زحف على طول X-،-الاتجاهات ص بمقارنة اثنين من الصور التفصيلية STM من منطقة العملية المختار، وسجلت مع فاصل زمني، على سبيل المثال، 5 دقائق. انتظر حتى الانجراف هو أقل من 0.5 Å بين الصورتين المتعاقبة.
    2. اختبار زحف في ض الاتجاه من خلال تسجيل ش ض (ر) التي تطبقها حلقة FB أكثر من 1 دقيقة، وحساب معدل الانجراف. دو ض (ر) / يجب أن يكون دينارا حوالي 0.2 Å / ساعة.

6. إعداد ليد التلاعب الشواهد (HCM)

  1. التأكد من أن جميع البرامج ذات الصلة تعمل وأن نقل البيانات بين الأجهزة المتصلة يعمل بشكل صحيح: MCS، TipControl، رفس، VRinterface، HMD والالكترونيات SPM.
  2. تأكد من أن التوجهيتم محاذاة ن من نظام الإحداثيات من HMD مع تنسيق محاور MCS.
  3. محاذاة صورة للجزيء كما هو موضح المساعدات البصرية في VRinterface مع التوجه للجزيء الحقيقي لمعالجته في التجربة.
    1. محاذاة HMD على نظام الإحداثيات وتوجيهه بحيث وجهة نظر فوق جزيء إشارة. محاذاة جزيء إشارة في VRinterface على جزيء تصويرها في البرنامج SPM عن طريق الضغط على الأزرار المناسبة على لوحة المفاتيح لتدوير في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة.
  4. تحقق مما إذا كان الإصدار X - ت ص - يتم تعيين -voltages ضد ض RVS 0 V وإعادة تعيين لهم إذا لزم الأمر (3.5.1).
  5. إعادة تفحص جزيء PTCDA المختارة للتلاعب مع STM في الوضع الحالي مستمر.
  6. وضع أكثر من طرف ذرة الأكسجين الكربوكسيلية المختارة للتلاعب باستخدام وظيفة مناسبة من البرنامج SPM. استخدام نقطة اتصال الصحيحة كما تم تحديده في 5.4.
  7. <لى> تنشيط PLL وتعيين وضع التحكم في السعة. تعيين السعة التذبذب عند أدنى مستوى ممكن (على سبيل المثال، 0،2-0،4 Å) ولكنها مرتفعة بما فيه الكفاية بحيث كشف Δf هو ممكن مع الظروف الضوضاء مقبولة وسرعة الكشف (انظر 2.1).
  8. فتح حلقة FB. أدخل 0 لقيمة تكامل في إطار المعلمة البرمجيات SPM.
  9. تعيين التحيز تقاطع لبضعة بالسيارات في إطار برنامج المعلمة SPM. أدخل 0.007 لتطبيق 7 بالسيارات إلى السطح.
  10. تعيين كسب مكبر للصوت الحالي إلى 1 × 10 7 خامسا / أ في إطار المعلمة البرمجيات SPM.

7. استخدام HCM عن التلاعب رقابة من PTCDA

  1. وضعت على HMD واتخاذ ل. إذا لزم الأمر، تغيير موضع HMD على رأس المستخدم أثناء تنفيذ الخطوات التالية لأي عرض المشهد VR أو بيئة معملية، لوحة المفاتيح وشاشة الكمبيوتر.
  2. ضبط تباين الألوان من مسارات تسجل للدخول (I (س، ص، ض)) في VRinterface عن طريق الضغط على ب ملائمةutton.
  3. بمناسبة نقطة اتصال في المشهد الظاهري 3D. هذا "مرساة" يساعد على العثور على الاتصال بسهولة لمزيد من محاولات التلاعب باستخدام HCM دون الحاجة لإعادة RVS.
    1. تنشيط تسليم السيطرة على طول المحور Z فقط عن طريق التحقق من مربع المقابلة في برنامج طرف مع الحفاظ X-، ص ​​مربعات دون رادع.
    2. نقل إلى أسفل بينما يراقب الأول (0،0، ض) وΔf (0،0، ض) إشارات في الوقت الحقيقي في المشهد الظاهري. وقف تحريك للعندما الأول (0،0، ض) وΔf (0،0، ض) إشارات تظهر قفزة حادة في وقت واحد، والتوقيع على تشكيل الاتصال (انظر الشكل 8).
    3. بدء التسجيل المسار المنحنى في VRinterface عن طريق الضغط على زر المقابلة وبدء تحريك لغاية.
    4. إيقاف التسجيل المسار المنحنى في VRinterface في أقرب وقت الاتصال بين جزيء وطرف تمزقات عن طريق الضغط على زر المقابلة. التوقيع هو الانخفاض الحاد في وقت واحد وأنا (س، ص، ض) وإشارات Δf (س، ص، ض).
    5. صحافة &#34؛ وقفة "زر في البرنامج طرف لإلغاء تنشيط ناحية السيطرة.
  4. تفعيل اليد السيطرة على حركة رأس طول كل محاور المكانية عن طريق فحص X-، Y-، ض خانات في البرنامج واضغط على زر "ابدأ" في برنامج طرف.
  5. في حال وجهة تشكيل الاتصال ينحرف عن واحد "الراسية" في المشهد الظاهري بعد التلاعب (يرجع إلى الانحراف أو أي تغيير في قمة الحافة) تصحيح موقف طرف وحالة غيض إذا لزم الأمر.
    1. نقل معلومات سرية إلى وضعها الأولي قبل البدء ناحية السيطرة عن طريق تحريك للبينما يراقب حركة المجال الأبيض في المشهد الظاهري.
    2. اضغط على زر "وقفة" في برنامج طرف لإلغاء تنشيط ناحية السيطرة.
    3. اضغط على "إعادة تعيين جميع" زر في البرنامج تلميح إلى إعادة ت س - ت ص -، -voltages ضد ض RVS 0 خامسا
    4. تعيين STM مرة أخرى في الوضع الحالي مستمر مع المعلمات التي تسهل LUMO جontrast لPTCDA (انظر 1.2.4).
    5. إعادة تفحص جزيء اختياره للتلاعب ووضع طرف في الموقع الصحيح على ذرة الأكسجين الكربوكسيلية المختار (المحددة في 5.4) باستخدام وظائف الإعداد محددة من البرنامج SPM. إذا لزم الأمر، وإعداد معلومات سرية في مكان قريب (<300 على الأقدام) للحد من زحف بيزو المتبقية.
    6. إعادة تشغيل البروتوكول في خطوة 7.1.
  6. في محاولة لايجاد مسار رفع ناجحة حيث يتم فصل جزيء اتصلت تماما من على سطح الأرض في نهاية هذا المسار.
    1. نقترب من نقطة حيث "مرساة" عرضت تشكيل الاتصال طرف جزيء عن طريق تحريك للمع اتباع حركة المجال تمثل موقف طرف الحالي في المشهد الظاهري. حالما يتم تشكيل اتصال بدء تسجيل مسار جديد في VRinterface.
    2. سحب جزيء في اتجاه مناسبة لرفع (الشكل 10) عن طريق تحريك للوفقا لذلك. إذاتم الكشف عن تمزق الاتصال طرف جزيء، ووقف تسجيل مسار. العودة إلى نقطة اتصال، بدء التسجيل المسار المنحنى على تكوين الاتصال وتنفيذ التلاعب مختلفة.
    3. التبديل إلى Δf (س، ص، ض) تباين الألوان لمسارات سجلت عن طريق الضغط على الزر المناسب في VRinterface على مسافات أكبر من السطح (في حوالي 7 Å مع مكبر للصوت مكاسب الحالي 10 7 خامسا / أ)، لأنني (خ، ذ، ض) إشارة يضمحل بسرعة بعيدا عن السطح. هنا Δf (س، ص، ض) يصبح المؤشر الوحيد على وجود جزيء (انظر الشكل 1). عند فقدان الاتصال جزيء معلومات سرية، Δf (س، ص، ض) يقفز (وثيقة) إلى الصفر، ولا يتغير بعد الآن حتى على الاقتراب من سطح لمدة 1-3 Å.
    4. إذا كان الاتصال طرف جزيء لا يزال مستقرا عند Z> 10 Å، احترس من التوقيع في Δf (س، ص، ض) حيث يدل على الانتقال السلس إلى الصفر على سحب جزيء بعيدا عن السطح. هذا هو التوقيع successfالمجاهدين رفع جزيء (انظر الشكل 1).
    5. اختبار إذا تم فصل جزيء تماما من على سطح الأرض ومعلقة على طرف.
      1. نقل لغاية للتحقق مما إذا Δf (س، ص، ض) يبقى في صفر على مزيد من التراجع طرف.
      2. نقل إلى أسفل لمعرفة ما اذا كان Δf (س، ص، ض) يزيد على الاقتراب من سطح لمدة 1-3 Å وراء ارتفاع حيث تم الكشف عن التوقيع لرفع الناجح.
  7. إيداع جزيء رفعت إلى مساحة نظيفة حج (111).
    1. بعد رفع بنجاح، نقل تصل إلى التراجع غيض من 10-20 Å إضافية من السطح. وهذا يقلل من أي تفاعل جزيء رفعت مع السطح.
    2. اضغط على زر "وقفة" في البرنامج معلومات سرية لتحديد موقف الطرف الحالي ولإلغاء تنشيط ناحية السيطرة.
    3. دون تحول حلقة FB على استخدام وظيفة الإعداد محددة من البرنامج SPM لوضع أكثر من طرف حج نظيفة (111) السطح بعض distaالامتحانات التنافسية الوطنية (على سبيل المثال، 50-100 أ) بعيدا عن الجزيرة حيث تم استخراج جزيء. حدد "SetXYOffset - الأعلى"، ثم انقر فوق في صورة منها.
    4. تعيين كسب مكبر للصوت الحالي إلى 1 × 10 9 V / A.
    5. تحقق فقط ض مربع في البرنامج غيض ثم اضغط على زر "ابدأ" في برنامج طرف.
    6. نقل إلى الاقتراب من السطح حتى قابلة للقياس الأول (ض) يبدو.
    7. اضغط على زر "وقفة" في برنامج طرف لإلغاء تنشيط ناحية السيطرة.
    8. تدريجي زيادة الخامس ب (ماكس الخامس ب ≈ 0.5 V، في أعلى الخامس ب جزيء يمكن أن تتضرر) باستخدام شريط التمرير التي تسيطر عليها الماوس في برنامج SPM حتى يكون هناك قفزة في وقت واحد في الاول وΔf مما يدل على أن جزيء انخفض إلى السطح. إذا كان الجزيء لا يمكن إعادة المودعة، وغيض لابد من تنظيفها لمزيد من التجارب، على سبيل المثال، بواسطة نبضات الجهد (1.2.5).
    9. مسح المنطقة في وضع ثابت الحالي (1.2.4) والاختيارإذا كان الجزيء أودع في الواقع مرة أخرى على السطح.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ملاحظة: يظهر هذا الجزء الأعمال المنشورة في 7،8.

تطبيق HCM لمشكلة رفع PTCDA / حج (111) من طبقة، كنا قادرين على إرسال النموذج عن طريق إزالة بالتتابع الجزيئات الفردية (الشكل 9). في المجموع تم إزالة 48 الجزيئات، يمكن redeposited 40 منها إلى حج نظيفة (111)، وتبين أن الجزيئات تبقى على حالها خلال عملية التلاعب. وهذا يسمح باستخدام HCM لتصحيح "أخطاء الكتابة" من خلال اتخاذ جزيء من موقع آخر ويملأ المنصب الشاغر عن طريق الخطأ (إدراجات في الشكل 9) 7.

يتم عرض مسارات الناجحة التي سمحت لإزالة جزيء من طبقة في الشكل 10. هم حفنة في زاوية ضيقة الصلبة النسبية، والاتجاهوالتي تشير إلى أن جزيء يمكن إزالتها من داخل طبقة في حركة "تقشير". هذا التقشير يسهل الانفطار التدريجي للسندات H الجزيئات ويحافظ على مجموع القوى المؤثرة على السندات طرف جزيء تحت عتبة حرجة 7.

الواقع الافتراضي ردود الفعل يسمح لتنفيذ العديد من المناورات استنساخه، في كل مرة يتبع نفس مسار المسجلة سابقا. يشار إلى استنساخ من أوجه التشابه القوية في الأول (س، ص، ض) وΔf (س، ص، ض) البيانات في الشكل 11. لأن شكل مسار يعتمد أيضا على الشكل الدقيق لقمة غيض نحن إجراء التجربة التي يتم التلاعب بها واحدة ونفس الجزيء على طول مسارات مشابهة الحفاظ على نفس هيكل رأس قمة. يتم التحقق من شكل طرف دون تغيير عن طريق استنساخ نقطة الاتصال بين محاولات رفع. لا يتم سحبها تماما جزيء من طبقة ولكنفي كل مرة عاد إلى هذه الشواغر بعد توقف تسجيل (طالما أن السندات لم يكسر في حد ذاته)، إلى خفض احتمال التسبب في تعديل ذروة نتيجة للقوات عالية أثناء إزالة كاملة الشكل 11 يبين 3D مسارات مثل هذه التجربة، حيث تم سحب جزيء مرارا وتكرارا على طول مسارين 8.

شكل 1
الشكل 1. رسم توضيحي لعملية التلاعب. (أ) استخلاص جزيء PTCDA واحد من جزيرة عن طريق الاتصال التلاعب (تظهر أربع ذرات عليا TIP). (ب) مثال الأول (ض) وΔf (ض) منحنيات سجلت خلال استخراج جزيء من HCM. الرجاء النقر هنا ل عرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

شكل 1
الشكل (6). صورة STM من جزيرة PTCDA المدمجة في حج (111). وحجم الصورة 600 × 600 2 والظروف نفق هم I = 0.1 غ والخامس ب = -0.35 خامسا الفراغ ينظر في الفيلم هو نتيجة لاستخراج ثلاثة جزيئات. تم الجزيئات المستخرجة إعادة المودعة مرة أخرى على السطح (الزاوية اليسرى السفلى من الصورة). يظهر أقحم 50 × 30 2 STM الصورة التي تكشف عن التباين نموذجي من PTCDA التي تنبع من أدنى مستوى له غير مأهولة الجزيئي المداري (LUMO). يتم وضع علامة على ذرات الأكسجين الكربوكسيلية رد الفعل من PTCDA التي تستخدم للاتصال جزيء من قبل اثنين من الصلبان الحمراء. التوجه الجزيئية يمكن أن تستمد وفقا لالمرجع. 17.ove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig6large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

شكل 1
الرقم 7. الطيف استجابة التردد. يظهر هو استجابة التردد من أجهزة الاستشعار الشوكة الرنانة (TFS) تقاس الفائق وفي 5 ك الموافق قيمة Q-عامل حوالي 70،000. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

شكل 1
الرقم 8. أنا (ض) منحنيات سجلت خلال اختبار للاتصال طرف جزيء. تم تأسيس الاتصال عن طريق الاقتراب من طرف نحو واحدة منذرات الأكسجين الكربوكسيلية من PTCDA. المسافة نهج Δz من وجهة الاستقرار I = 0.1 غ، والخامس ب = -0.35 فيس حوالي 4 Å. كلا، نهج (أسود) وتراجع (الحمراء) منحنيات سجلت مع التحيز الخامس ب = -5 بالسيارات. قفزة حادة لوحظ في ض = 0 Å في منحنى نهج يحدث بسبب ذرة الأكسجين من PTCDA العض على طرف وتشكيل الاتصال طرف جزيء. بعد أن شكلت الاتصال وتراجع رأس عموديا إلى وضعها الأولي. كما تراجع غيض اتصال لجزيء تمزق في ض = 0.3 Å. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

شكل 1
الرقم 9. مثال للنانو هيكلة طبقة الجزيئية التي كتبها HCM. الصورة STM (STABILنقطة سعودة: I = 0.1 A، V ب = -0.35 V) معارض 47 الشواغر الناجمة عن إزالة متتالية من جزيئات PTCDA الفردية HCM دون استخدام 3D الواقع الافتراضي ملاحظات مرئية. تظهر الأشكال سلسلة من التلاعب المبذولة لتصحيح "خطأ كتابة"، وملء شاغر من جزيء إزالتها من على حافة الجزيرة. (مقتبس من المرجع 7) الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

شكل 1
الرقم 10. وجهة نظر منظور تظهر 34 مسارات التلاعب أن جميع أدى إلى إزالة ناجحة من PTCDA من أحادي الطبقة. وسجلت جميع مسارات حين خلق نمط هو مبين في الشكل 9. ثيظهر البريد أقحم إسقاط للكرة نصف قطرها 7 Å حول نقطة الاتصال ويشير إلى حيث الناجح (الأحمر) وغير الناجحة (أسود) مسارات اختراق هذا المجال. جميع مسارات الناجحة تركز في ضيق نسبيا Ω زاوية الصلب (مقتبس من المرجع 7). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

شكل 1
الرقم 11. التلاعب صقل المسار وسيجري استنساخ. الإسقاط من مسارات طرف 3D المسجلة باستخدام HCM مع 3D الواقع الافتراضي ملاحظات مرئية على جزيء داخل PTCDA / حج (111) الجزيرة. وأقحم في الفقرة (أ) يظهر ثلاث محاولات التلاعب التي يقوم بها المجرب في البحث عن (ناجح) متلوى ش مسارالخاصة في (أ) و (ب). منحنى الرمادي هو مسار تم الحصول عليها من المتوسط مسارات هو موضح في الشكل (10). الأعلى والآراء جانب سبع محاولات التلاعب التالية مسار المتوسط (أي نجاح) وسبع محاولات على طول مسار ملتو وجدت حديثا (كل نجاح). لون الترميز الترفيهية (أ) سجل (أنا (س، ص، ض)) و (ب) Δf (س، ص، ض). (مقتبس من المرجع 8) الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

مثل الطرق الأخرى القائمة SPM، التجارب التلاعب الجزيئية وصفها في هذه الورقة يتوقف أيضا إلى حد ما على خصائص الطرف SPM. بنية مهيمنة طرف (التي لا يمكن السيطرة عليها بشكل كامل) يحدد قوة السندات طرف جزيء. ومن هنا تأتي قوة الاتصال طرف جزيء قد تختلف إلى حد كبير، وبالتالي في بعض الأحيان قد تكون منخفضة للغاية. وبالتالي ضمن البروتوكول نشير إلى بعض الاختبارات الأساسية للإجراءات الجودة طرف والعلاج طرف. ومع ذلك، قد تكون هناك حاجة إلى العلاج طرف أشد في بعض الحالات لتحقيق نتائج مرضية التلاعب.

وثمة جانب آخر بالغ الأهمية من الاتصال التلاعب مع NC-AFM / STM هو التذبذب من أجهزة الاستشعار qPlus خلال التلاعب. مع زيادة السعة يصبح التلاعب تسيطر عليها أكثر صعوبة منذ الشوكة الرنانة يتحرك عموديا طرف صعودا وهبوطا بما مجموعه 2A 0. في الحد من سعة كبيرة غيضتراجع دائما من السطح على طول مسار عمودي يؤثر بشكل حاسم على التلاعب. لذلك، إذا خصائص الضوضاء من استخدام NC-AFM / STM لا تسمح بالعمل مع سعة أقل بكثير من 1 واحد يجب النظر في محاولة التلاعب في وضع STM، أي دون إثارة الشوكة الرنانة. في حين لا توجد معلومات عن تصلب تقاطع يمكن الحصول على هذه الحالة، والتوصيل وحده قد يكون كافيا لرصد التلاعب.

استخدام HMD لتصور البيانات مسار طرف مزاياه ولكن أيضا القيود. وهناك ميزة واضحة هي الزيادة في الدقة والحدس (في الوقت الحقيقي!) إذا كان أحد يعمل في بيئة افتراضية المشهد 3D الحقيقية. وفي هذا الصدد نجد مقاربة الواقع الافتراضي ليكون أكثر فعالية من "غير متصل" التفتيش على بيانات مسار على العرض القياسية. من ناحية أخرى ترتدي HMD يعقد بالتعاون مع مختبر المعدات بحيثبيانات القياس مهم لابد من المتوقع في VR (انظر الشكل 6) ليتم عرضه على الإنترنت. قد تكون في المستقبل يمكن التغلب على هذا التحديد مع واجهات الواقع الافتراضي المعزز الذي تم فرضه 3D مسرح الواقع الافتراضي مباشرة فوق الصورة الحقيقية للبيئة معملية.

ورغم وجود أساليب أخرى التي زوجين بيئة الواقع الافتراضي والإشراف للسيطرة فؤاد يتم تحديد تلك الاجهزة للمشاريع المتناهية الصغر وميكرومتر الفرعي التلاعب على نطاق وفي ظل الظروف المحيطة 18. وفيما يتعلق التلاعب من الجزيئات الفردية مع الدقة الذرية لدينا مزيج من MCS، HMD، وLT-SPM هي فريدة من نوعها. التلاعب التي تسيطر عليها اليد يعطي وصول بديهية فريدة من نوعها لمشكلة التلاعب الجزيئي. مع مستوى الرقابة تقدم، يمكن للمرء أن إجراء دراسات باستخدام التحليل الطيفي للجزيئات واحدة في تكوينات مختلفة، فهم المزيد عن عالج الأساسيالصورة في هذه التقاطعات المعدنية جزيء المعادن. وباستخدام الطريقة الموصوفة في هذه الورقة تسمح لأحد أن "تعلم" السطوح الطاقة الكامنة المعقدة التي تحدد احتمال لنجاح أي محاولة التلاعب محددة. يمكن وجود اكتسبت ما يكفي من الحدس واحد يفوض أن تعلم كمبيوتر، وأخيرا أتمتة عملية التلاعب. آخر تطوير لاحقة في المستقبل من الأسلوب هو الجمع بينها ومحاكاة في الوقت الحقيقي ذري من عملية التلاعب التي من شأنها أن تسمح ردود فعل أكثر من ذلك المباشر للمجرب.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics