Raster-Quantenpunkt-Mikroskopie (SQDM)

Unsere Experimente zur Manipulation von Einzelmolekülen haben uns zur Entdeckung einer neuen Rastersonden-Technik geführt, mit der sich nanoskalige Veränderungen des elektrostatischen Potenzials von Oberflächen mit sehr hoher Empfindlichkeit und räumlicher Auflösung abbilden lassen.

Bei der Rasterkraftmikroskopie (Scanning Quantum Dot Microscopy, SQDM) wird die Tatsache genutzt, dass ein nanometergroßes Molekül, das mit atomarer Präzision an der Spitze eines berührungslosen Niedertemperatur-Atomkraftmikroskops (NC-AFM) [1, 2] befestigt ist, als Quantenpunkt fungiert. Das Tunneln einzelner Elektronen in und aus dem Quantenpunkt erfolgt, wenn eine ausreichende elektrische Vorspannung V an die NC-AFM-Spitze angelegt wird. Durch das Tunneln ändert sich der Ladungszustand eines der Molekülorbitale des Quantenpunkts zwischen -e, 0 und +e, wobei e die Elementarladung ist [3]. Die Aufladung führt zu abrupten Sprüngen in der anziehenden elektrostatischen Kraft, die von der Oberfläche auf die Spitze wirkt. Ein empfindlicher mechanischer Resonator, der die Quantenpunktsonde kontinuierlich mit Amplituden im Sub-Ångström-Bereich in Schwingung versetzt, reagiert auf die sich abrupt ändernde Kraft mit starken Ausschlägen in seiner Schwingungsfrequenz. Scannt man die Quantenpunktsonde in konstanter Höhe über die Oberfläche und stellt V so ein, dass eine bestimmte Frequenzspitze (0 → +e oder 0 → -e) auftritt, zeichnet SQDM Karten der entsprechenden Spannungen V+ und V- auf, die schließlich die Verteilung des elektrostatischen Potenzials Φ über die gescannte Oberfläche ergeben [4, 5]. Wir haben einen schnellen Controller entwickelt, der die Spikes während des Scannens der Oberfläche verfolgt, was SQDM zu einer effizienten und einfach zu bedienenden Scanning-Probe-Technik macht [6].