Ученые из Германии раскрыли влияние металлических поверхностей на наноизображения атомных колебаний
Недавние исследования, проведенные командой ученых из Института Макса Планка по структуре и динамике материи (MPSD) и Института полимерных исследований (MPIP), проливают новый свет на искажения, которые могут возникать при использовании наноизмерительных технологий, таких как усиленная рамановская спектроскопия (TERS), в присутствии металлических поверхностей. Эта работа, выполненная Кристофом Брезиной и Марианой Росси, а также Яиром Литманом, актуализирует понимание атомных вибраций и их визуализации, что может привести к значительным изменениям в различных научных областях.
Согласно заявлениям исследователей, современные интерпретации изображений TERS часто основаны на предположении о том, что они представляют собой прямые карты атомных движений. Однако, как утверждает Мариана Росси, это представление подвергается сомнению. Все атомы вибрируют на наноуровне, определяя такие важные процессы, как теплоотдача, химические реакции и физические свойства материалов. Эти колебания служат своего рода «отпечатком» внутренней структуры и состава материалов.
Традиционные методы спектроскопии, такие как рамановское рассеяние, сталкиваются с ограничениями в пространственном разрешении, поскольку собирают сигналы от больших групп атомов одновременно. В ответ на эту проблему авторы исследования применили метод TERS, который комбинирует лазерное излучение с острием металла, концентрирующим электромагнитное поле на крошечном объеме. Это позволяет ученым изучать атомные колебания с разрешением менее одного нанометра, достигая уровня ангстрема, или одной десятой миллиардной метра. На этом уровне можно с высокой точностью анализировать отдельные молекулы или дефекты в двумерных материалах.
Одной из основных проблем интерпретации детализированных изображений TERS является необходимость наличия надежных теоретических моделей, которые могли бы связать измеренные сигналы с движением атомов на атомном масштабе. В частности, электронная реакция металлической подложки может значительно исказить полученные сигналы.
Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи использовали квантовые симуляции первого принципа. Вместо использования упрощенных моделей они построили более реалистический вычислительный подход, который стимулирует системы, содержащие сотни атомов, опираясь только на фундаментальные законы квантовой механики. Их результаты показали, что традиционные теоретические упрощения, такие как рассмотрение молекул как изолированных систем или моделирование поверхностей малыми кластерами, могут привести к искажению результатов и упрощенному пониманию.
Результаты исследования продемонстрировали, что TERS чувствительна к симметрии локальных окружений, что позволило исследователям выявить небольшие структурные изменения и дефекты в двумерных материалах. Более того, экранный эффект от металлической поверхности значительно изменял изображения вибраций, направленных перпендикулярно к поверхности, в то время как вибрации, ограниченные молекулярной плоскостью, подвержены меньшему влиянию.
По словам Брезины, пространственно ненадежные взаимодействия между атомами могут значительно изменять сигналы TERS в определенных точках пространства. Он также добавил, что самые яркие области на изображении не обязательно отражают наибольшие атомные движения, что подчеркивает необходимость глубокого анализа полученных данных.
Данное исследование открывает новые горизонты для более точной визуализации вибрационных движений и может оказать влияние на такие развивающиеся области, как картирование дефектов в двумерных материалах, проектирование электроники на уровне отдельных молекул, операндные каталитические исследования поверхностей, а также технологии секвенирования геномов нового поколения. Ученые надеются, что их работа приведет к улучшениям в понимании материала и разработке новых технологических решений, основанных на наноразмерах.
