Сканирующая микроскопия квантовых точек

Сканирующая микроскопия квантовых точек (SQDM) — это сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ), которая используется для изображения наномасштабных распределений электрического потенциала на поверхностях. Метод количественно определяет изменения поверхностного потенциала через их влияние на потенциал квантовой точки (КТ), прикрепленной к вершине сканируемого зонда. SQDM позволяет, например, количественно определять поверхностные диполи, возникающие из отдельных адатомов , молекул или наноструктур . Это дает представление о поверхностных и интерфейсных механизмах, таких как реконструкция или релаксация, механическое искажение, перенос заряда и химическое взаимодействие . Измерение распределения электрического потенциала также актуально для характеристики органических и неорганических полупроводниковых устройств , которые имеют электрические дипольные слои на соответствующих интерфейсах . Расстояние между зондом и поверхностью в SQDM составляет от 2 нм. до 10 нм и, следовательно, позволяет получать изображения на неплоских поверхностях или, например, биомолекулах с отчетливой трехмерной структурой. Сопутствующими методами визуализации являются силовая микроскопия с зондом Кельвина (KPFM) и электростатическая силовая микроскопия (EFM).

Принцип работы

В SQDM связь между потенциалом на КТ и поверхностным потенциалом (интересующей величиной) описывается краевой задачей электростатики. Граница ${\mathcal {S}}$ задается поверхностями образца и зонда, которые считаются соединенными на бесконечности. Тогда потенциал $\Phi _{\text{QD}}=\Phi (\mathbf {r} )$ точечной КТ в $\mathbf {r}$ может быть выражено с использованием формализма функции Грина как сумма по объемным и поверхностным интегралам, где ${\mathcal {V}}$ обозначает объем, заключенный в ${\mathcal {S}}$ и $\mathbf {n} '$ поверхность нормальная.

$$\Phi _{\text{QD}}=\Phi (\mathbf {r} )=\iiint \limits _{\mathcal {V}}G(\mathbf {r} ,\mathbf {r} '){\frac {\rho (\mathbf {r} ')}{e}}d^{3}\mathbf {r} '+{\frac {\epsilon _{0}}{e}}\oint \limits _{\mathcal {S}}{\bigg [}G(\mathbf {r} ,\mathbf {r} '){\frac {\partial \Phi (\mathbf {r} ')}{\partial \mathbf {n} '}}-\Phi (\mathbf {r} '){\frac {\partial G(\mathbf {r} ,\mathbf {r} ')}{\partial \mathbf {n} '}}{\bigg ]}d^{2}\mathbf {r} '.$$

В этом выражении $\Phi _{\text{QD}}$ зависит от плотности заряда $\rho$ внутри ${\mathcal {V}}$ и о потенциале $\Phi$ на ${\mathcal {S}}$ взвешенный по функции Грина

Связь между потенциалом КТ в точке r и потенциалом поверхности в точке r' описывается краевой задачей электростатики.

$$G(\mathbf {r} ,\mathbf {r} ')={\frac {e}{4\pi \epsilon _{0}|\mathbf {r} -\mathbf {r} '|}}+F(\mathbf {r} ,\mathbf {r} '),$$

где $F$ удовлетворяет уравнению Лапласа .

Указав $F$ и, таким образом, определяя граничные условия , эти уравнения можно использовать для получения соотношения между $\Phi _{\text{QD}}$ и поверхностный потенциал $\Phi _{\text{s}}(\mathbf {r} '),\quad \mathbf {r} '\in {\mathcal {S}}$ для более конкретных ситуаций измерения. комбинация проводящего зонда и проводящей поверхности, ситуация, характеризуемая граничными условиями Дирихле . Подробно описана

Концептуально отношения между $\Phi _{\text{QD}}(\mathbf {r} )$ и $\Phi _{\text{s}}(\mathbf {r} ')$ связывает данные в плоскости изображения, полученные путем считывания потенциала КТ, с данными на поверхности объекта - поверхностным потенциалом. Если поверхность образца аппроксимировать как локально плоскую и соотношение между $\Phi _{\text{QD}}(\mathbf {r} )$ и $\Phi _{\text{s}}(\mathbf {r} ')$ поэтому трансляционно-инвариантный, восстановление информации о поверхности объекта из информации о плоскости изображения представляет собой деконволюцию с функцией рассеяния точки, определяемой краевой задачей. В конкретном случае проводящей границы взаимное экранирование поверхностных потенциалов острием и поверхностью приводит к экспоненциальному падению функции рассеяния точки. Это обеспечивает исключительно высокое поперечное разрешение SQDM при больших расстояниях между зондом и поверхностью по сравнению, например, с KPFM.

Практическая реализация

Сообщается о двух методах получения информации о плоскости изображения, т.е. об изменениях потенциала КТ. $\Phi _{\text{QD}}(\mathbf {r} )$ когда зонд сканирует поверхность. В компенсационной технике $\Phi _{\text{QD}}$ поддерживается при постоянном значении $\Phi _{\text{QD}}^{0}$. Влияние латерально изменяющихся поверхностных потенциалов на $\Phi _{\text{QD}}$ активно компенсируется путем непрерывной регулировки глобального потенциала образца с помощью внешнего напряжения смещения $V_{\text{b}}$. $\Phi _{\text{QD}}^{0}$ выбирается таким образом, чтобы он соответствовал дискретному переходу зарядового состояния КТ, и соответствующее изменение силы зонд-образец используется в бесконтактной атомно-силовой микроскопии. для проверки правильности компенсации.

В альтернативном методе вертикальная составляющая электрического поля в положении КТ отображается путем измерения энергетического сдвига конкретного оптического перехода КТ. что происходит из-за эффекта Штарка . Этот метод требует дополнительной оптической настройки в дополнение к настройке СЗМ.

Изображение плоскости объекта $\Phi _{\text{s}}(\mathbf {r} ')$ можно интерпретировать как изменение работы выхода , поверхностного потенциала или плотности поверхностных диполей. Эквивалентность этих величин задается уравнением Гельмгольца. В рамках интерпретации плотности поверхностных диполей поверхностные диполи отдельных наноструктур могут быть получены путем интегрирования по достаточно большой площади поверхности.

Топографическая информация от SQDM

В методе компенсации влияние глобального потенциала выборки $V_{\text{b}}$ на $\Phi _{\text{QD}}$ зависит от формы поверхности образца образом, определяемым соответствующей краевой задачей. На неплоской поверхности изменения $\Phi _{\text{QD}}$ поэтому нельзя однозначно отнести ни к изменению поверхностного потенциала, ни к топографии поверхности. $t_{\text{d}}$ если отслеживается только один переход зарядового состояния. Например, выступ на поверхности влияет на потенциал КТ, поскольку запирание $V_{\text{b}}$ работает более эффективно, если КТ расположен над выступом. Если в методе компенсации используются два перехода, вклад топографии поверхности $t_{\text{d}}$ и потенциал $\Phi _{\text{s}}$ можно распутать и получить обе величины однозначно. Топографическая информация, полученная с помощью метода компенсации, представляет собой эффективную диэлектрическую топографию металлической природы, которая определяется геометрической топографией и диэлектрическими свойствами поверхности образца или наноструктуры.

Внешние ссылки

• https://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-3/EN/Groups/LTSTM/Research/SQDM.html
• https://poggiolab.unibas.ch/research/Scanning%20Quantum%20Dot%20Microscopy/
• http://momalab.org/index.php/?action=devices