Метод TERS использует острый металлический наконечник для детального изучения атомных колебаний в мельчайшем масштабе.
Немецкие ученые пролили свет на то, как методы наноразмерной визуализации, такие как рамановская спектроскопия с усилением сигнала на кончике зонда (TERS), могут искажаться металлическими поверхностями, создав мощный метод моделирования атомных колебаний в ангстремном масштабе.
Исследование было проведено доктором философии Кристофом Брезиной и доктором философии Марианой Росси из Института Макса Планка по изучению структуры и динамики материи (MPSD), а также доктором философии Яиром Литманом из Института Макса Планка по исследованию полимеров (MPIP).
Результаты исследований группы ставят под сомнение давние представления о том, как вибрационные изображения отражают движение атомов, и предлагают более точный способ интерпретации данных, полученных с помощью спектроскопических инструментов высокого разрешения.
«Изображения, полученные с помощью метода TERS, часто интерпретируются как прямые карты движения атомов», — отметила Мариана Росси, доктор философии, научный сотрудник Института Макса Планка по изучению структуры и динамики материи (MPSD).
Эффект поверхности металла
Все атомы вибрируют на наномасштабе. Эти атомные движения определяют рассеивание тепла, химические реакции и свойства материалов. Поскольку эти колебания определяются локальными химическими связями и окружающей средой, они служат высокочувствительным индикатором внутренней структуры и состава материала.
Для косвенного изучения колебаний ученые используют спектроскопические методы, такие как рамановское рассеяние. Однако традиционные методы собирают сигналы от больших групп атомов одновременно, что ограничивает их пространственное разрешение.
Для решения этой задачи команда обратилась к спектроскопии комбинационного рассеяния света с усилением сигнала от наконечника (TERS). Этот мощный аналитический метод сочетает лазерный свет с острым металлическим наконечником, который концентрирует электромагнитное поле в крошечном объеме.
Источник: Росси и др.
Это позволяет ученым исследовать атомные колебания с разрешением менее нанометра, достигая ангстремного масштаба, примерно одной десятимиллиардной доли метра. На этом уровне они могут даже изучать отдельные молекулы или дефекты в двумерных материалах.
Однако для интерпретации высокодетализированных изображений TERS необходимы надежные теоретические модели, способные связать измеренные сигналы с движением на атомном уровне. Существует несколько факторов, которые могут изменять получаемые сигналы, особенно электронный отклик металлической подложки под образцом.
Переосмысление движения атомов
Для преодоления этого ограничения команда использовала квантовые симуляции, основанные на первых принципах. Вместо того чтобы полагаться на чрезмерно упрощенные модели, они разработали реалистичный вычислительный подход. Он моделирует системы, содержащие сотни атомов, используя только фундаментальные законы квантовой механики.
Исследование показало, что распространённые теоретические упрощения, такие как рассмотрение молекул как изолированных систем или аппроксимация поверхностей небольшими кластерами, на самом деле могут приводить к вводящим в заблуждение результатам и чрезмерно упрощённым интерпретациям.
«Наши результаты показывают, что электронный отклик поверхности может доминировать в сигнале и коренным образом изменять смысл этих изображений», — заключил Росси в пресс-релизе.
Результаты показали, что TERS чувствителен к симметрии локального окружения. Это позволило исследователям выявлять небольшие структурные изменения и идентифицировать дефекты в двумерных материалах.
Кроме того, электронное экранирование от металлической поверхности значительно искажало изображения колебаний, распространяющихся перпендикулярно поверхности. В то же время колебания, ограниченные молекулярной плоскостью, подвергались гораздо меньшему воздействию.
По словам Брезины, пространственно нелокальные взаимодействия между атомами могут сильно влиять на сигналы TERS в определенных точках пространства. Он добавил, что самые яркие области на изображении не обязательно отражают наибольшие перемещения атомов.
Данное исследование открывает путь к более точной визуализации колебательного движения. Оно может оказать влияние на ряд перспективных областей, таких как картирование дефектов в двумерных материалах, разработка электроники на основе отдельных молекул, исследования поверхностного катализа в режиме реального времени, а также технологии секвенирования генома следующего поколения.
Статья опубликована в журнале ACS Nano.
Sourse: interestingengineering.com
