Исследователи из Германии предложили новую разновидность методики сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), позволяющую детально отображать молекулярную структуру образца. В новом типе прибора одна единственная молекула водорода или дейтерия размещается на конце острия; группа показала, что наличие всего лишь одной молекулы может значительно улучшить результирующую картинку.
Принцип работы сканирующей туннельной микроскопии (СТМ, scanning tunneling microscope) основан на идее туннелирования электронов через потенциальный барьер между зондом и исследуемым образцом. Туннельный ток, возникающий благодаря этому эффекту, в значительной степени зависит от расстояния между острием и поверхностью. Т.е. изменение проводимости при движении зонда вдоль поверхности (или изменение положение зонда при сохранении туннельного тока постоянным) может быть средством для ее визуализации. Подобная методика дает возможность получить трехмерный рельеф поверхности с разрешением вплоть до размеров одной молекулы.Если говорить о проводимости, то она зависит не только от расстояния до поверхности, но и от других факторов, в частности, от свойств поверхностей острия и исследуемого образца, называемых плотностью состояний (число состояний, доступных для электрона в данном энергетическом диапазоне). Эти состояния аналогичны орбиталям атомов и молекул.
Очевидно, что, чем выше плотность состояний (чем выше их количество), тем более яркое изображение можно получить в данной точке. Над исследованием вариаций методики, доступных благодаря этой особенности, и работала группа ученых из Julich Research Center (Германия).
В более ранних экспериментах группа обнаружила, что существует возможность получить детальные и контрастные изображения, если перед использованием зонд сканирующего туннельного микроскопа покрыть водородом. Полученная картинка напоминала молекулы и отражала даже химические связи между атомами. Однако, ранее исследователи не могли с уверенностью сказать, что же на самом деле показывает данная методика (действительно ли она отображает отдельные молекулы).
Повторив эксперимент с дейтерием, более тяжелым изотопом водорода, ученые смогли ответить на этот вопрос. Исследования проводились на органических молекулах, размещенных на поверхности золота. Измерения показали, что полученная картина является продуктом всего одной молекулы дейтерия, размещенной на конце острия. Подробное описание новой методики дано в работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
В «классическом» СТМ проводимость зависит от расстояния между зондом и образцом экспоненциально. В данном случае зависимость была менее выраженной; более того, измерения, выполненные при расстоянии порядка 1 Ангстрем, привели к неожиданно четкой картинке.
Сами ученые объясняют наблюдаемые явления выполнением принципа Паули. Наличие атома дейтерия меняет свойства острия, в результате чего возможно получение более детальной картины. Стоит отметить, что другие исследовательские группы получили аналогичные результаты на атомном силовом микроскопе.
