Исследователи научно-исследовательской группы RIKEN, Япония добились полностью контролируемой группировки и перегруппировки приповерхностных молекул при приложении электрического поля между иглой сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и поверхностью подложки.

На фундаментальном уровне возможность собирать и группировать отдельные молекулы на поверхности может предоставить исследователям очень важную информацию о взаимодействии между соседними молекулами. Молекулы, адсорбированные поверхностью твердой подложки, могут быть механически перемещены иглой СТМ. Тем не менее, это достаточно медленный процесс и может привести к повреждению как хрупкого накончника СТМ, так и адсорбированной молекулы.

В статье, которая опубликована в журнале Physical Review B (Electric field response of a vibrationally excited molecule in an STM junction), японские ученые опубликовали результаты исследования бесконтактного способа быстрого и точного позиционирования одиночных молекул. Исследователи демонстрируют способ на примере изображений букв из ионов метилтиола, адсорбированных поверхностью медной подложки. Каждая из молекул метилтиола при адсорбции занимает место в некоторых приповерхностных впадинах, имеющихся в атомной структуре меди. Если приложить электрическое поле между иглой СТМ и поверхностью, вибрация молекул нарастает, и молекула может «перепрыгнуть» в соседнюю «лунку».

Исследователи показали, что это теоретическое описание перескакивания молекул достаточно корректно и эффективно при приложении правильного напряжения (например, прилагаемое напряжение должно соотвествовать известной вибрационной частоте в связи углерод- сера молекулы метилтиола)

Вибрационное возбуждение наблюдалось и ранее, но электрическое поле во всех предыдущих работах прикладывалось непосредственно к центру молекулы, поэтому и движение молекул было случайным по сути. Исследователи в настоящем проекте исследовали возможность приложения напряжения на небольшом расстоянии от центра. При этом они показали, что возможно не только заставить молекулу перейти в соседнюю «лунку», но и контролировать направление этого перемещения с высокой избирательностью и точностью. Для демонстрации нового метода ученые сгруппировали молекулы метилтиола так, чтобы произвести три буквы «STM» на поверхности медной пластинки.

Ранее было показано, что молекулы метилтиола, адсорбированные медной поверхностью, по-видимому, имеют отрицательный заряд. Если игла СТМ также заряжена отрицательно, электростатические силы заставляют молекулы «выпрыгивать» из «лунок» и перемещаться в сторону от иглы. Если игла СТМ заряжена положительно, то молекулы перемещаются в ее сторону. Решение проблемы прецизионного позиционирования молекул, по-видимому, сможет помочь в разработке функциональных материалов для устройств памяти.

Евгений Биргер