Группа ученых из Калифорнийского университета впервые обнаружила взаимные колебания отдельных молекул угарного газа, что позволяет использовать методы электронной туннельной микроскопии в качестве чувствительного химического зонда и проводить анализ компонентов сложных молекул на поверхности исследуемых образцов. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters, кратко о статье рассказывается на сайте журнала Physics.

Одним из методов изучения поверхности на базе туннельного микроскопа является неупругая электронная туннельная спектроскопия, которая позволяет исследовать молекулы, находящиеся на поверхности металлов. Если сблизить кончик иглы туннельного микроскопа и поверхность образца на очень малые расстояния, то можно зарегистрировать туннельный ток. При этом неупругие процессы, в ходе которых некоторые из туннельных электронов будут тратить свою энергию на возбуждение колебаний молекул, адсорбированных на поверхности образца, будут давать дополнительный вклад в туннельный ток. Этот вклад можно оценить, что дает возможность химически идентифицировать молекулы,адсорбированные на поверхности металла. Если же адсорбировать на конце иглы молекулу угарного газа, то можно повысить чувствительность метода из-за малой энергии, необходимой для возбуждения колебаний молекулы СО. Однако чтобы использовать такой метод, нужно уметь расшифровывать получаемые спектры, для чего нужно знать зависимости тока от различных параметров.

В ходе работы использовался криогенный сканирующий туннельный микроскоп, на конце иглы которого адсорбировалась молекула угарного газа. В качестве исследуемого объектаприменялся отожженный образец из серебра, на который при 25 К осаждалсямонослой молекул угарного газа. Затем образец охлаждали до 600 мК и снималиспектры. Присутствие СО на поверхности или кончике иглы проверялось путем наблюденияхарактерных колебательных мод. После этого снимались серии спектров взависимости от расстояния между концом иглы и образцом, которые в дальнейшем сравнивались с расчетными данными.

Спектры и изображения для трех разных случаев: а) молекула СО на поверхности образца, b) молекула СО на кончике иглы, c) молекулы СО и на поверхности образца и на кончике иглы

В результате удалось выявить определенные колебательные моды из-за взаимного отталкивания молекул друг от друга. Было обнаружен уникальный пик в спектрах, соответствующий взаимным колебательным модам адсорбированных на конце иглы и поверхности молекул. Пик сдвигается по частоте при уменьшении расстояния между кончиком иглы и поверхностью образца, что говорит о изменении расположения молекул друг относительно друга. Предполагается,что такой метод можно использовать для идентификации функциональных групп в плоских молекулах, а также для изучения межмолекулярноговзаимодействия, молекулярных переходов и сложных групповых возбуждений, так как для разных молекул пики будут уникальными.

Серия спектров, полученных для разных расстояний между иглой и поверхностью образца

Ранее мы рассказывали о новом методе исследования атомарной структуры неплоских асфальтенов, о том как ученые научились «вручную» смыкать и размыкать молекулярные циклы, а также о том, как увидеть структуру молекулы при комнатной температуре. Кроме того методы сканирующей зондовой микроскопии помогли ученым впервые увидеть химические связи в аринах и обнаружить, что атомы меди на ощупь похожи на «бублики».

Внутренности вакуумной камеры сканирующего туннельного микроскопа. Kristian Molhave/Wikimedia Commons