Breakthrough eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung der Manipulation von Materialien auf atomarer Ebene, die für die Zukunft wichtig sind
Wissenschaftler haben zum ersten Mal ein geladenes Seltenerd-Molekül auf einer Metalloberfläche gebildet und es mithilfe der Rastertunnelmikroskopie gedreht.
Wissenschaftler aus Ohio-Universität, Argonne National Laboratoryund die Universität von Illinois in Chicago verwendeten Rastertunnelmikroskopie, um ein geladenes Seltenerdmolekül auf einer Metalloberfläche zu bilden und es im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn zu drehen, ohne seine Ladung zu beeinflussen.
Ihre Ergebnisse eröffnen neue Forschungswege zur Manipulation von Materialien auf atomarer Ebene, die für die Zukunft wichtig sind, und reichen von[{” attribute=””>quantum computing to consumer electronics.
“Rare earth elements are vital for high-technological applications including cell phones, HDTVs, and more. This is the first-time formation of rare-earth complexes with positive and negative charges on a metal surface and also the first-time demonstration of atomic-level control over their rotation,” said team lead Saw-Wai Hla, who has dual appointments as a scientist at Argonne and professor of physics and astronomy in the College of Arts and Sciences at Ohio University.
The experiment was carried out at both Argonne and Ohio University, utilizing two different low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) systems. The environment for STM experiments requires a temperature of about 5 degrees K (-450 degrees Fahrenheit) in an ultrahigh vacuum. The size of the sample molecules was roughly 2 nanometers.
Rare-Earth Rotor. (a) STM image of a rotating Eu complex appears as a disc shape on Au(111). (b) Controlled rotations are performed by supplying electrical energy from an STM tip. (c), (d) Before and after rotation of a complex, respectively. The dashed circle indicates the counterion used for the control. Credit: Saw Wai Hla
“The same results were achieved in both locations, which ensures reproducibility,” Hla said. The Ohio lab is operated by students of the Hla group associated with the Nanoscale & Quantum Phenomena Institute.
The scientists’ research was recently published in the journal Nature Communications.
The rare-earth complexes the researchers assembled were positively charged Europium base molecules with negatively charged counterions on a gold surface. Rotations of the complexes resulted from applying electric field emanating from the STM tip, using the counterion underneath as a pivot. The researchers demonstrated 100% directional control over the rotation of these rare-earth complexes.
Dieser Film zeigt verschiedene Energiepositionen und die Formen der unbesetzten Orbitale von [Eu(pcam)3X]2+ und [Eu(pcam)3]3+. Es wird aus spektroskopischen Karten mit 8000 dI/dV erstellt, die auf einem Paar erfasst wurden [Eu(pcam)3X]2+ – [Eu(pcam)3]3+ Komplexe bei ±2000 mV mit einer Lücke von 1 mV zwischen aufeinanderfolgenden Frames. Dieser Film zeigt die kontrollierte Drehung von a im Uhrzeigersinn [Eu(pcam)3X2]+ Komplex auf der Au(111)-Oberfläche, wenn ein negatives elektrisches Feld von der STM-Spitze angelegt wird.
Eric Masson, Professor und Roenigk-Lehrstuhl für Chemie an der Ohio University und einer der Mitforscher des Projekts, entwarf die Seltenerdkomplexe, und seine Gruppe an der Ohio University synthetisierte sie. Die Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie wurden von Argonne-Wissenschaftlern und der Gruppe von Anh Ngo, einem außerordentlichen Professor für Chemieingenieurwesen an der University of Illinois in Chicago, unter Verwendung von BEBOP von Argonne, dem bisher leistungsstärksten Supercomputer in den Vereinigten Staaten, durchgeführt. Die Berechnungen zeigen nur einen vernachlässigbaren Ladungstransfer an der Molekül-Substrat-Grenzfläche, was bedeutet, dass die Komplexe an der Oberfläche geladen blieben.
Der chemische Zustand des Eu-Ions in an der Oberfläche adsorbierten Komplexen wird von Hla und seinen Kollegen an der Advanced Photon Source in Argonne durch eine aufkommende experimentelle Methode bestimmt, die als Synchrotron-Röntgen-Rastertunnelmikroskopie bekannt ist, wo sie bestätigen, dass die Moleküle positiv sind aufgeladen auf der Goldoberfläche. STM-Bilder zeigen die Struktur als verzerrte Dreiecksform mit drei Armen. Der Einbau des untenstehenden Gegenions wird durch einen STM-Film nachgewiesen, der mit einer Rekordzahl von 8.000 spektroskopischen Bildern aufgenommen wurde. Als nächstes verwendete die Hla-Gruppe die STM-Manipulation, um die Kontrolldrehung weiter zu demonstrieren, die Drehungen im und gegen den Uhrzeigersinn nach Belieben zeigt.
„Diese Ergebnisse könnten für die Entwicklung nanomechanischer Geräte nützlich sein, bei denen die einzelnen Einheiten des Komplexes darauf ausgelegt sind, Bewegungen zu steuern, zu fördern oder einzuschränken“, sagte Hla. „Wir haben die Rotation geladener Seltenerdkomplexe auf einer Metalloberfläche demonstriert, was es nun ermöglicht, einen Komplex sowohl auf seine elektronischen und strukturellen als auch auf seine mechanischen Eigenschaften zu untersuchen.“
Referenz: „Atomically Precise Control of Rotational Dynamics in Charged Rare Earth Complexes on a Metallic Surface“ von Tolulope Michael Ajayi, Vijay Singh, Kyaw Zin Latt, Sanjoy Sarkar, Xinyue Cheng, Sineth Premarathna, Naveen K. Dandu, Shaoze Wang, Fahimeh Movahedifar , Sarah Wieghold, Nozomi Shirato, Volker Rose, Larry A. Curtiss, Anh T. Ngo, Eric Masson und Saw Wai Hla, 22. Oktober 2022, Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-022-33897-3
Die Studie wurde vom US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Materials Science and Engineering Division finanziert.