Physiker haben die Manipulation der polaren kovalenten Bindung zwischen einem Goldatom an der Spitze einer Rasterkraftmikroskop-Sonde und einem Kohlenstoffatom auf der Oberfläche von Graphen durch Anlegen einer unterschiedlichen Potenzialdifferenz zwischen ihnen demonstriert. Sie zeigten, dass die Sonde bei ausreichend starker Bindung in der Lage ist, die Graphenschicht anzuheben und freizugeben. Die Forschung wird in Physical Review Letters veröffentlicht.
Chemische Bindungen spielen eine wichtige Rolle bei der Bildung der Eigenschaften von Molekülen und Kristallen insgesamt. Die Kontrolle der Parameter chemischer Bindungen wird Physikern und Ingenieuren helfen, neue Materialien und Geräte zu entwickeln. Und je mehr lokale Steuerung ausfällt, desto mehr Miniaturgeräte können erstellt werden. Im Grenzfall sprechen wir von der Möglichkeit, die chemische Bindung einzelner Atome zu kontrollieren.
Wissenschaftler verfolgen diesen Weg seit mehreren Jahrzehnten. Physiker konnten beispielsweise die Eigenschaften eines einzelnen Moleküls steuern, indem sie die Anzahl der kovalenten Bindungen mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops atomar ändern. Darüber hinaus konnten die Forscher das Pentacen-Molekül sichtbar machen, indem sie die Stärke seiner Bindung an die Sonde untersuchten, wenn ein elektrisches Feld angelegt wurde.
In der neuen Arbeit konnten Physiker aus Deutschland und Dänemark unter Beteiligung von Mads Brandbyge von der Dänischen Technischen Universität noch weiter gehen und führten ein Experiment durch, bei dem sie die Bindungsstärke zwischen einzelnen Gold- und Kohlenstoffatomen durch Anlegen einer elektrischen Feld. Das Goldatom befand sich an der Spitze einer dünnen Spitze eines Rasterkraftmikroskops, das an die Oberfläche von Graphen gebracht wurde. Das Feld wurde durch Anlegen einer Spannung unterschiedlichen Betrags und Vorzeichens zwischen der Oberfläche und der Sonde erzeugt.
Graphen wurde durch Erhitzen von Siliziumkarbid auf 1300 Grad Celsius hergestellt. Dabei bildet sich auf einer ihrer Seiten eine Übergitterschicht aus Graphendomänen. Neben reinem Graphen untersuchten die Autoren auch seine mit Lithiumatomen interkalierte Form. In solchem Graphen dringen Lithiumatome in den Raum zwischen dem Graphen und dem Substrat ein.
Die Studie wurde in einer berührungslosen Arbeitsweise eines Rasterkraftmikroskops durchgeführt. Darin führt die Sonde mechanische Schwingungen über der Probenoberfläche aus, ohne diese zu berühren. Trotz des fehlenden Kontakts wirken auf die Sonde Van-der-Waals-Kräfte, die die Frequenz dieser Schwingungen beeinflussen. Da diese Kräfte stark vom Abstand der Probe zur Sonde abhängen, ist es möglich, die Eigenschaften der Oberfläche zu untersuchen, ohne sie zu zerstören.
Physiker führten für beide Graphenformen eine Reihe von Messungen der Frequenzen und Wechselwirkungskräfte zwischen der Spitze und der Oberfläche bei unterschiedlichen Spannungen zwischen ihnen in unterschiedlichen Höhen durch. Die Messungen erfolgten in Form einer Abfolge von Annähern und Herausziehen der Sonde. Beim Anlegen eines negativen Potentials an die Probe fielen die Annäherungs- und Rückzugskurven sowohl für die Frequenz als auch für die Kraft fast vollständig zusammen. Bei Anlegen eines positiven Potentials zeigten die Kurven jedoch eine ausgeprägte Hysterese.
REM-Aufnahmen von reinem Graphen (a) und interkaliertem Graphen (d). Abhängigkeit der Änderung der Schwingungsfrequenz und -kraft zwischen Spiel und Probe für reines Graphen (b, c) und interkaliertes Graphen (e, f). Das Potential an der Probe betrug –700 Millivolt (b, e) und +700 Millivolt (c, f). Anflugkurven sind durch eine durchgezogene Linie und eine Rückkehrkurve durch eine gepunktete Linie gekennzeichnet.
Die Autoren erklärten dieses Verhalten mit der Annahme, dass das positive Potenzial der Probe die Au-C-Bindung stärkt, während das negative sie im Gegenteil schwächt. Dadurch zieht die Sonde im ersten Fall beim Entfernen wie ein Miniaturkran die Graphenschicht hinter sich her und verformt sie. In einiger Entfernung übersteigt die durch die Verformung von Graphen verursachte elastische Kraft die Bindungskraft zwischen den Atomen, und das Graphen kehrt in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Die Interkalation schwächt die Bindung zwischen Graphen und Substrat, was sich darin widerspiegelt, dass die Hysterese in diesem Fall viel ausgeprägter ist. Die Autoren untersuchten diesen Prozess für verschiedene angelegte Spannungen, Sonden und Berührungspunkte mit der Probe. Insbesondere fanden sie heraus, dass die Stärke der Wechselwirkung praktisch unabhängig davon ist, wo sich das Kohlenstoffatom im Gitter befindet.
Um ihre Annahmen zu bestätigen, modellierten Physiker diesen Prozess mit der Dichtefunktionalmethode und der Methode der Greenschen Funktionen des Nichtgleichgewichts. Darüber hinaus nutzten sie die Hirschfield-Ladungsanalyse, um zu verstehen, was mit der Elektronendichte passiert, wenn elektrische Felder mit entgegengesetzten Vorzeichen angelegt werden. Die Simulationsergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit dem Experiment.
(a) Berechnete Abhängigkeit des Ladungsflusses von einem Goldatom zu einem Kohlenstoffatom vom Potential für das Spitze-Graphen-System (Quadrate) und das Au-C-Dimer (Kreise). (b) Berechnung der induzierten Differenz der Elektronendichte im Spitze-Graphen-System für eine Spannung von 0,5 Volt. Rote (grüne) Isoflächen entsprechen einem Verlust (Inkrement) der Elektronendichte von 20 Elementarladungen pro Kubiknanometer. Der schwarze Pfeil zeigt die Richtung des elektrischen Feldes an. (c) Wie in (b), jedoch mit einer Spannung von ─0,5 Volt.
Die Autoren weisen darauf hin, dass die Kontrolle der chemischen Bindung auf der Ebene einzelner Atome und die Möglichkeit, die mechanische Belastung auf diese Weise zu kontrollieren, den Weg zur Untersuchung lokaler Verzerrungen der Materie ebnen. Aus chemischer Sicht bieten die erhaltenen Ergebnisse ein Werkzeug zur Kontrolle der Reaktivität und katalytischen Aktivität auf atomarer Ebene.
Wissenschaftler versuchen ständig, chemische Prozesse zu beeinflussen. Wir haben zum Beispiel bereits beschrieben, wie sie es mit einem Laser gemacht haben. Und wie es möglich ist, die Ionisierungsenergie von Atomen zu kontrollieren, indem man sie in einen photonischen Kristall steckt, schrieben wir im Blog "Mendeleev hätte nie davon geträumt: was ein photonischer Kristall mit der Ionisierungsenergie eines Atoms tun kann."
