Novo microscópio de pontos quânticos mostra potenciais elétricos de átomos individuais

Por , em 17.06.2019

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Magdeburg e do Centro de Pesquisa Jülich (Alemanha) desenvolveu um novo método para medir os potenciais elétricos de uma amostra com precisão atômica.

Até agora, usando métodos convencionais, era virtualmente impossível registrar quantitativamente os potenciais elétricos que ocorriam na vizinhança imediata de moléculas ou átomos individuais.

O avanço na microscopia eletrônica de varredura quântica pode abrir novas oportunidades para a fabricação de chips ou a caracterização de biomoléculas como o DNA.

O método

Toda matéria tem núcleos atômicos positivos e elétrons negativos. Eles produzem campos elétricos potenciais que se sobrepõem e compensam uns aos outros, mesmo em distâncias muito curtas.  

O problema é que métodos convencionais não permitem medições quantitativas desses campos de pequena área, que são responsáveis ​​por muitas propriedades e funções do material em nanoescala.

Quase todos os métodos capazes de fazer imagens desses potenciais baseiam-se na medição de forças causadas por cargas elétricas. No entanto, essas forças são difíceis de distinguir de outras forças que ocorrem em nanoescala, o que impede medições quantitativas.

Há quatro anos, porém, cientistas de Jülich descobriram um método baseado em um princípio completamente diferente. A microscopia de pontos quânticos de varredura envolve unir uma única molécula orgânica – o ponto quântico – à ponta de um microscópio de força atômica. Esta molécula serve então como sonda (como o modelo da molécula PTCDA, que Wagner mostra na imagem no topo deste artigo).

“A molécula é tão pequena que podemos unir elétrons individuais da ponta do microscópio de força atômica à molécula de maneira controlada”, explica o Dr. Christian Wagner, um dos autores do estudo.

Da teoria à prática

Os pesquisadores imediatamente reconheceram o quão promissor era o método e arquivaram um pedido de patente. No entanto, sua aplicação prática ainda estava distante.

“Inicialmente, foi simplesmente um efeito surpreendente limitado em sua aplicabilidade. Tudo mudou agora. Não apenas podemos visualizar os campos elétricos de átomos e moléculas individuais, como também podemos quantificá-los com precisão”, explica Wagner. “Isso foi confirmado por uma comparação com cálculos teóricos realizados por nossos colaboradores de Luxemburgo. Além disso, podemos visualizar grandes áreas de uma amostra e assim mostrar uma variedade de nanoestruturas de uma só vez. E precisamos apenas de uma hora para uma imagem detalhada”.

A razão para as imagens nítidas é um efeito que permite que a ponta do microscópio permaneça a uma distância relativamente grande da amostra, aproximadamente dois a três nanômetros – inimaginável para um microscópio de força atômica normal.

Nesse contexto, é importante saber que todos os elementos de uma amostra geram campos elétricos que influenciam o ponto quântico e, portanto, podem ser medidos. A ponta do microscópio atua como uma blindagem protetora que amortece os campos de áreas da amostra que estão mais distantes. “A influência dos campos elétricos protegidos diminui exponencialmente e o ponto quântico só detecta a área circundante imediata”, explica Wagner. “Nossa resolução é, portanto, muito mais nítida do que se poderia esperar”.

Os pesquisadores de Jülich devem a velocidade com que a superfície completa da amostra pode ser medida a seus parceiros da Universidade de Magdeburg. Lá, engenheiros desenvolveram um controlador que ajudou a automatizar a sequência complexa e repetida de varredura da amostra.

“Um microscópio de força atômica funciona um pouco como um toca-discos”, diz Wagner. “A ponta se move através da amostra e reúne uma imagem completa da superfície. No trabalho anterior de microscopia de pontos quânticos, no entanto, tivemos que nos mover para um local individual na amostra, medir um espectro, passar para o próximo local, medir outro espectro, e assim por diante, a fim de combinar essas medidas em uma única imagem. Com o controlador dos engenheiros da Magdeburg, agora podemos simplesmente escanear toda a superfície, da mesma forma com um microscópio de força atômica normal. Em vez de 6 horas para uma única molécula, agora podemos fazer imagens de áreas de amostra com centenas de moléculas em apenas uma hora”.

Imagem de um microscópio de tunelamento com varredura (à esquerda) e um microscópio com varredura de pontos quânticos (à direita). Usando um microscópio de tunelamento, a estrutura física de uma superfície pode ser medida em nível atômico. A microscopia de pontos quânticos pode visualizar os potenciais elétricos na superfície em um nível similar de detalhes – uma combinação perfeita.

Aplicações

Vale mencionar que existem algumas desvantagens. Preparar as medições requer muito tempo e esforço. A molécula que serve como ponto quântico para a medição deve ser anexada à ponta do microscópio de antemão – e isso só é possível em um vácuo a baixas temperaturas. Em contraste, os microscópios de força atômica normal também funcionam à temperatura ambiente, sem necessidade de vácuo ou preparações complicadas.

Apesar disso, os pesquisadores estão otimistas. “Isso não tem que limitar nossas opções. Nosso método ainda é novo, e estamos empolgados com os primeiros projetos para mostrar o que realmente pode fazer”, afirmou o professor Stefan Tautz, outro autor do estudo.

Existem muitos campos de aplicação para a microscopia de ponto quântico. A eletrônica de semicondutores avança para tecnologias onde um único átomo pode fazer a diferença para sua funcionalidade. A interação eletrostática também desempenha um papel importante em outros materiais funcionais, como catalisadores.

A caracterização de biomoléculas é outra área onde o método pode ser aproveitado. Graças à distância comparativamente grande entre a ponta e a amostra, o método é adequado até para superfícies ásperas, como a superfície de moléculas de DNA, com sua estrutura 3D característica.

Um artigo sobre o estudo foi publicado na revista científica Nature Materials. [Phys]

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