Microscopía de escaneo de puntos cuánticos - Scanning quantum dot microscopy
Microscopía de escaneo de puntos cuánticos
La microscopía de puntos cuánticos de barrido (SQDM) es una microscopía de sonda de barrido (SPM) que se utiliza para obtener imágenes de distribuciones de potencial eléctrico a nanoescala en superficies. El método cuantifica las variaciones de potencial de superficie a través de su influencia en el potencial de un punto cuántico (QD) unido al vértice de la sonda escaneada. SQDM permite, por ejemplo, la cuantificación de dipolos de superficie que se originan a partir de adatoms , moléculas o nanoestructuras individuales . Esto brinda información sobre los mecanismos de superficie e interfaz, como la reconstrucción o relajación, la distorsión mecánica, la transferencia de carga y la interacción química . La medición de las distribuciones de potencial eléctrico también es relevante para caracterizar dispositivos semiconductores orgánicos e inorgánicos que presentan capas de dipolos eléctricos en las interfaces relevantes . La distancia de la sonda a la superficie en SQDM varía de 2 nm a 10 nm y, por lo tanto, permite obtener imágenes en superficies no planas o, por ejemplo, de biomoléculas con una estructura 3D distinta. Las técnicas de imagen relacionadas son la microscopía de fuerza de sonda Kelvin (KPFM) y la microscopía de fuerza electrostática (EFM).
Principio de funcionamiento
En SQDM, la relación entre el potencial en QD y el potencial de superficie (la cantidad de interés) se describe mediante un problema de valor límite de la electrostática. El límite viene dado por las superficies de la muestra y la sonda que se supone que están conectadas al infinito. Entonces, el potencial de un QD puntual en puede expresarse usando el formalismo de la función de Green como una suma sobre el volumen y las integrales de superficie, donde denota el volumen encerrado por y es la superficie normal.
![{\ Displaystyle \ Phi _ {\ text {QD}} = \ Phi ({\ mathbf {r}}) = \ iiint \ limits _ {\ mathcal {V}} G ({\ mathbf {r}}, {\ mathbf {r}} ') {\ frac {\ rho ({\ mathbf {r}}')} {e}} d ^ {3} {\ mathbf {r}} '+ {\ frac {\ epsilon _ { 0}} {e}} \ unción \ límites _ {\ mathcal {S}} {\ bigg [} G ({\ mathbf {r}}, {\ mathbf {r}} ') {\ frac {\ parcial \ Phi ({\ mathbf {r}} ')} {\ parcial {\ mathbf {n}}'}} - \ Phi ({\ mathbf {r}} ') {\ frac {\ parcial G ({\ mathbf { r}}, {\ mathbf {r}} ')} {\ parcial {\ mathbf {n}}'}} {\ bigg]} d ^ {2} {\ mathbf {r}} '.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/50f8eeb0607116cec9c3eb73f80e0ae1bccb38bd)
En esta expresión, depende de la densidad de carga en el interior y en el potencial de pondera por la función de Green
,
donde satisface la ecuación de Laplace .
Al especificar y así definir las condiciones de contorno , estas ecuaciones se pueden utilizar para obtener la relación entre y el potencial de superficie para situaciones de medición más específicas. Se ha descrito en detalle la combinación de una sonda conductora y una superficie conductora, una situación caracterizada por las condiciones de contorno de Dirichlet .
Conceptualmente, la relación entre y vincula los datos en el plano de imagen, obtenidos mediante la lectura del potencial QD, con los datos de la superficie del objeto: el potencial de la superficie. Si la superficie de la muestra se aproxima como localmente plana y la relación entre y, por lo tanto, translacionalmente invariante, la recuperación de la información de la superficie del objeto a partir de la información del plano de imagen es una deconvolución con una función de dispersión de puntos definida por el problema del valor límite. En el caso específico de un límite conductor, el apantallamiento mutuo de los potenciales de superficie por punta y superficie conduce a una caída exponencial de la función de dispersión de puntos. Esto provoca la resolución lateral excepcionalmente alta de SQDM en grandes separaciones de la superficie de la punta en comparación con, por ejemplo, KPFM.
Implementación práctica
Se ha informado de dos métodos para obtener la información del plano de formación de imágenes, es decir, las variaciones en el potencial QD cuando la sonda se escanea sobre la superficie. En la técnica de compensación, se mantiene a un valor constante . La influencia de los potenciales de superficie que varían lateralmente en se compensa activamente ajustando continuamente el potencial de muestra global a través de un voltaje de polarización externo . se elige de modo que coincida con una transición discreta del estado de carga QD y el cambio correspondiente en la fuerza de la muestra de la sonda se utiliza en microscopía de fuerza atómica sin contacto para verificar una compensación correcta.
En un método alternativo, la componente vertical del campo eléctrico en la posición QD se mapea midiendo el desplazamiento de energía de una transición óptica específica del QD que se produce debido al efecto Stark . Este método requiere una configuración óptica adicional además de la configuración de SPM.
La imagen del plano del objeto se puede interpretar como una variación de la función de trabajo , el potencial de superficie o la densidad del dipolo de superficie. La equivalencia de estas cantidades viene dada por la ecuación de Helmholtz. Dentro de la interpretación de la densidad del dipolo de superficie, los dipolos de superficie de nanoestructuras individuales pueden obtenerse mediante la integración sobre un área de superficie suficientemente grande.
Información topográfica de SQDM
En la técnica de compensación, la influencia del potencial muestra global en depende de la forma de la superficie de la muestra de una manera que se define por el correspondiente problema de contorno. En una superficie no plana, los cambios en , por lo tanto, no pueden asignarse únicamente a un cambio en el potencial de la superficie o en la topografía de la superficie si solo se rastrea una única transición de estado de carga. Por ejemplo, una protuberancia en la superficie afecta el potencial de QD ya que la compuerta funciona de manera más eficiente si la QD se coloca por encima de la protuberancia. Si se utilizan dos transiciones en la técnica de compensación, las contribuciones de la topografía y el potencial de la superficie pueden desenredarse y ambas cantidades pueden obtenerse sin ambigüedades. La información topográfica obtenida mediante la técnica de compensación es una topografía dieléctrica eficaz de naturaleza metálica que se define por la topografía geométrica y las propiedades dieléctricas de la superficie de la muestra o de una nanoestructura.
