分子生物学

atom原子化学

化学家通过隧道效应的电子束通过另一种,通过电子束通过隧道效应将原子替换或焊接粘合来逐个使反应分子停止反应分子。

Géralddujardi和Andrew Mayne 用于科学N°290
本文保留用于科学用户

纳米化学在20世纪90年代初发展。此前,没有人会想象一个人可以用原子和分子一天“玩”。甚至认为在达到这种最终极限之前,小型化将停止。然而,1987年,罗素贝克尔和他的同事,实验室 据表明,我们可以使用隧道效应显微镜在表面上逐个操纵原子。 1990年,唐尼吉勒和他的同事,来自社会 IBM. ,确认了这一结果。

纳米学家有两个问题:通过组装原子和分子制造原子建筑,并完善用于分析和控制这些建筑的工具。因此,隧道效应显微镜出现为纳米化学中的选择仪器,因为它允许“看到”原子和分子并操纵它们。

隧道效应显微镜检测到一个小电流,名为隧道电流,其在显微镜尖端和样品之间循环,并且感谢其在原子的水平下“看到”后者(参见 分子操纵, 由Francesca Moresco,第98页)。隧道电流随着分离显微镜和样品的尖端的距离指数呈指数增长,从而隧道效应显微镜是表面研究仪器:用这种显微镜处理的原子和分子必须吸附在导电表面上。

识别阶段

隧道效应显微镜表面的图像是表面上电子状态密度的映射。通常,该密度在每个原子的精确场所的最大值是最大的,因此我们获得原子的映射。因此可以区分在其支持下研究的分子,所订购原子的材料 (见图 2a)。这些是由金属,半导体或有序导电材料的单晶形成的表面,例如石墨。放置在表面上的原子或分子易于易于识别。实际上,隧道效应显微镜的唯一图像不会确定其化学性质。因此,表面必须完全清洁,否则我们可以混淆与原子所研究的物体和粘附到表面上的杂质分子。为了避免污染,实验在怀孕的真空中进行(压力为10-9 帕斯卡尔)。尽管这些预防措施尽管如此,但表面绝不是完全没有污染,尤其是在经历发生的外壳中的扩展住宿之后。残留气氛的分子粘在表面上,没有我们知道, 先验, 他们的化学性质。氢气和水分子是最常见的污染物。

我们在显微镜外壳中12小时后研究了锗表面。一部分表面的图像显示了一组三个白色三角形斑点 (见图 2b)。通过比较各种实验的结果 - 包括我们在锗表面上归档氢原子的结果 - 我们推导出该组斑点是由于放置在表面上的氢原子。三个污渍对应于三个相邻的锗原子 (见图2c),其电子结构已经通过在三角形中心的氢原子的存在来修改(电子被“击退”朝向锗原子,使电子密度在其邻域中更强烈)。

在没有沉积在表面上的原子或分子的性质的索引的情况下,比较实验图像和“计算的”图像。关于所考虑的物体的性质以及表面上的物体上的吸附位置如诸如系统的能量的物体的吸附位置。然后评估隧道电流,当尖端通过在物体上方时,在样品和尖端之间循环。或者假设是通过理论预测和观察的充分性证实;或者它被拒绝了。

另一种方法是使用宏观化学分析的方法。然而,可以不确定通过隧道效应显微镜观察的分子反映样品表面的宏观组成。为了消除这种不确定性,理想是在原子尺度上进行分析方法。经过十多年的研究,威尔逊何和军在加利福尼亚州欧文大学的同事设法朝这个方向采取了第一步。它们沉积了三种类型的乙炔分子,其在铜表面上分别在铜表面上进行零,一个和两个氘原子(式C 2 H 2,C 2 H 2,C 2 S 2 D 2)。在通过显微镜通过隧道效应获得的该系统的图像上,不仅不承认它是乙炔分子,但三种类型的分子似乎相同 (见图 3)。 W. Ho和他的同事然后将显微镜的尖放置在每个分子上方并使用显微镜进行振动光谱。它们在显微镜的样品和尖端之间倾倒张力,并检测隧道电流的变化,每次所选择的电压对应于隧道电子的通道,其能量等于CH链路的振动量的量子( 358毫米电阻)或CD链路(266毫升)。对于三种乙炔分子中的每一个,它们有三种不同的光谱签名:C2H2的358毫米,两个峰(在358毫电校长和一至266个)中,用于C2HD,峰值为266毫米的C2D2。因此,通过隧道效应显微镜,使振动光谱作用,可以在样品上化学分析吸附的分子。

创造反应性网站

一旦确定了我们工作的表面和任何污染物,原子和分子操纵实验的第二步是观察常规化学反应的过程(其中有许多分子)在表面上,包括它的方式开始,识别反应位点。

当制造某些电子元件时,氧化硅或碳化硅表面被氧化。在最致力化的集成电路中,氧化物层不应测量大于1.3纳米厚度。为了提供均匀氧化物层,并且较少的厚度,必须理解这些氧化反应的动力学。

碳化硅是制造电力电子元件的高度流行的材料,我们与Patrick Soukiasian和同事合作,从Saclay原子能委员会与同事合作。该材料由碳原子的单层形成,其与硅原子的单层交替。我们已经研究了表面由硅原子的单层组成的情况,并且在增加氧气暴露后实现图像。在图像上容易识别氧化区域:它们看起来是黑色的,这对应于隧道电流的减小,因为形成的氧化物更加绝缘。在反应开始时,氧化在表面上并不均匀 (见图4a) :它开始缺陷,并在第一个氧化区域周围创造新的缺陷,这促进了氧化的传播。氧化区域由“自动迁移”延伸 (见图4B和4C)。因此,如果我们设法控制这些缺陷的分布,则可以非常精确地控制表面的氧化。

在进行这些实验之后,我们通过在显微镜外壳中加热1,250℃清洁这些表面,其产生由碳原子单层组成的表面。在热量的影响下,杂质起飞并通过泵送抽空。加热后,我们发现在表面上形成了线条 (见图 1)而且它们都越多,因为加热很长。每根线由与位于该线上的邻居之一和两个底层碳原子相关的碳原子组成。他们的第四个链接是未占用的(这是一个所谓的吊坠键):它具有吸引隧道电子的电子缺陷,这解释了图像上的白线(隧道电流更强烈)。表面本身由成对的碳原子组成,其中每个碳原子在其内通过三键和下层的三键连接到另一个碳原子。在热量的效果下逐渐地,每种碳与两个其他原子连接到具有尺寸(线)的结构,其中每个原子都结合。到三个其他原子,也有一个待处理的键。这些线可以在一些化学摘要中发挥反应性部位的作用。特别地,它们可以用作金刚石层的生长的起点,因为它们形成的碳原子具有与它们采用的结构类似的结构。

化学移植

在表面上发生的化学反应经常从缺陷开始,就像以前的经验中的情况一样。为了试图控制某些反应的触发,我们试图造成缺陷。我们使用了隧道效应显微镜的尖端,我们非常接近表面,一个接一个地移动原子,并构建具有所需化学反应性的新原子结构。

我们用锗表面使用。在找到没有缺陷的区域后,我们将隧道效应显微镜的尖端放在我们选择的原子上,然后我们接近表面的尖端,直到它触及它:原子粘在尖端。当我们回到尖端时,我们创造了一个原子差距。当电子从尖端循环到样品时,获得的图像对应于表面的未占用的电子状态,并且间隙显示为孔 (见图 5)。当电子从样品循环到尖端时,图像对应于表面的占据电子状态,并且从撕裂原子下方的四个锗原子观察到垂侧粘合剂。连接。所产生的间隙与分子氧反应:暴露于这种气体后,它改变方面,与其余的表面不同,这表明氧只反应。因此,我们在预先选择的原子位点上进行了表面的化学改性。

我们进一步进一步在原子尺度的操纵方面进行:随着隧道效应显微镜的尖端,不仅我们在表面上产生反应性部位,而且我们还破坏了放置在这些表面上的分子的化学键,我们产生了其他物质。这带来了新化学实体的旨意。

为了打破连接,隧道效果显微镜的尖端用作电子源,其“注入”分子内化学键或原子或分子与表面之间的连接。尖端的横向定位精度为0.01纳米。提供给隧道电子的能量导致其解离。

W. Ho和他的同事利用这种方法破坏最初吸附在低温铂表面(40个kelvins)上的两个氧分子。将每个分子分离成两个氧原子 (见图 6)。然而,引起这种解离的隧道电子仅具有0.3电压,而键对0.4电器的顺序具有更高的解离的能量屏障。事实上,已经需要几个电子解离化学键:每个电子将其能量的一部分销售给分子,该分子以振动能量的形式累积,直到存储的总能量超过了对解离的屏障的能量。然而,当电子是充满活力的时,只有一个足以解离化学键。

化学键的解离

使用隧道效应显微镜的尖端的化学环的解离用于实现纳米物体。因此,我们制造了电路:我们选择了氢化硅表面,其中每个表面硅原子在化学结合到氢原子。我们通过将显微镜的尖端接近表面附近并沿形成电路图的线移动而剥离了氢原子。沿着这些线,“剥离”硅原子具有吊坠键,在图像上是白色的 (见图 7)。这些电路被认为是在分子之间产生电连接。

此外,分子的解离还用于制造组装和形成更复杂的分子系统的分子片段。这些实验需要解离化学链接,移动碎片并将它们缔合,或者在每个步骤后通过振动光谱分析化学物质。

从柏林自由大学看到Hla和Gerhard Meyer最近从两种碘苯分子制造了二苯基分子。该反应通常在液相中进行,具有数十亿分子。医生在单个分子中再现它,从两种碘苯分子吸附在铜表面上的低温下 (见图 8)。碘苯分子最初在步骤的垂直部分上发现,即表示在与晶体中的两个连续叠层平面相对应的两个原子梯之间的原子的高度。他们可能迁移到这三月,其原子吸引它们,因为这些邻居比梯田的原子更少,因此具有电子缺陷。随着隧道效应显微镜的尖端,“纳米学家”已经将两个分子中的每一个解离碘原子和苯基,然后它们移动了两种苯基之间的碘原子,所以。将它们更靠拢。最后,它们在两种基团之间产生了连接并形成二苯基分子。

几个世纪以来,炼金术师已成为化学家,停止相信元素的嬗变和学习预测他所承担的反应的结果。今天,化学家成为分子的建造者,休闲(或几乎)这样的或这样的联络,以原子在他与另一个原子的反应中驱动它并触发反应。问题是,从沉积在表面上的简单分子下组装在隧道显微镜尖端下方的纳米载体的制造。纳米化学对控制相同分子内的电子也是有价值的。

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