3Dバーチャルリアリティのインターフェイスを持つ走査型プローブ顕微鏡を介した単一分子のハンド制御された操作

Summary

We demonstrate the precise manipulation of individual organic molecules on a metal surface with the tip of a scanning probe microscope driven in 3D by the experimenter’s hand using a motion capture system and fully immersive virtual reality goggles.

Abstract

将来のナノスケール技術の機能ビルディングブロックのような有機分子を考慮すると、ボトムアップアプローチでこのようなビルディング・ブロックを配置し、組み立てる方法の質問はまだ開いています。走査型プローブ顕微鏡（SPM）は、最適なツールである可能性があります。しかし、SPMベースの操作は、最近まで2次元（2D）に制限されていました。明確に定義された位置で分子にSPMチップをバインドすると、3D空間で制御された操作の機会を開きます。残念ながら、3D操作は、コンピュータ上のSPMのデータを表示および生成の典型的な2D-パラダイムとの大部分は互換性がありません。直感的かつ効率的な操作のために、我々はそのためのカップル低温非接触原子間力/走査型トンネル顕微鏡（LT NC-AFM / STM）モーションキャプチャシステムと完全に没入型仮想現実ゴーグルに。このセットアップは、SPMチップは、実験者の手の動きに応じて移動させた「手制御された操作」（HCM）、ワットを許可します先端の軌跡だけでなく、3Dで可視化されるSPM接合の応答をhile。 HCMは、潜在的に表面上の分子間に働くナノスケールの相互作用の優れた基本的な理解につながる、複雑な操作プロトコルの開発に道を開きます。ここでは、セットアップと仮想現実環境内で成功した手で制御された分子操作を達成するために必要な手順について説明します。

Introduction

低温非接触原子間力/走査型トンネル顕微鏡（以下でLT NC-AFM / STMは、単にSPMと呼ばれる）個々の原子または分子¹のアトミック正確な操作のための最適なツールです^{– 3。} SPMベースの操作は、一般的に2次元に限定し、突然、多くの場合、確率的操作イベント（ジャンプ）の一連の構成されています。これは本質的に、プロセスの制御を制限します。 ^{9 –}明確に定義された原子の位置に単一の化学結合によって問題の分子を接触させることは、これらの制限^4を克服することができるアプローチにつながります。先端の適切な変位によって、すべての3つの次元での分子の移動が可能となるように、その操作全体にわたって接触分子は、SPMチップに接続されています。これは、3D空間内で行われる様々な複雑な操作手順の可能性を作成します。しかし接触する操作がhiであってもよいです先端分子の接触を破裂するのに十分な大きさの力を作成することがあり、その周囲の操作面を有する分子および/または他の分子との相互作用によってndered。したがって、SPMチップの特定の3D軌跡は、または成功した操作イベントが生じない場合があります。質問は、このようにその環境で操作する分子の相互作用は事前よく特徴付けられていない一方で、先端分子結合が制限された強度を有している状況では、操作が正常に完了に至るプロトコルを定義する方法を生じます。

ここでは、この質問は、最も直感的な方法の想像に近づきます。実験者は、単に手^7を移動させることにより、SPMチップの変位を制御することができます。これは、仕様の一部を以下に提供される商業的モーションキャプチャシステムにSPMを結合することによって達成されます。 「手制御された操作」（HCM）の利点は、トンでありますすぐに別の操作軌跡を試してみると、彼らの失敗や成功から学ぶために彼実験者の能力。

HCMの設定はワード（「ユーリッヒ」）が銀上ペリレン-3,4,9,10-テトラカルボン酸二無水物（PTCDA）分子（の閉鎖層にステンシルされた証明の原理実験を行うために使用されています111）、HCM ⁷で、48分子、一つ一つを取り除きます。単分子層¹⁰中の分子を結合し、その分子間の水素結合面を切断から分子を持ち上げます。典型的には、本分子間結合の合計強度は、先端部の最も外側の原子と分子が（ 図 1参照）に接触させることにより、PTCDAのカルボン酸酸素原子との間の単一の化学結合の強さを超えています。つまり、先端分子接触の破裂および操作の試みの次の故障につながる可能性があります。実験のタスクはdetermiすることです先端分子の接触に適用される全体の力は、その強度を超えないように、抵抗する分子間結合順次ではなく同時にを破る先端軌道ね。

目標軌道は、原理的にシミュレートすることができるが、システムのサイズおよび複雑さに起因し、必要なシミュレーションは、時間の極端に大量にかかる関与します。それとは対照的に、HCMを使用して40分後に最初の分子を除去することが可能でした。実験の終わりに向かって抽出は、すでに学習手順の有効性を確認し、はるかに少ない時間がかかりました。さらに、HCM法の精度と汎用性は、隣接する位置から抽出された分子は、単層から別の分子の誤除去した後に残された空白を閉じるために使用された逆の操作の行為で証明されました。

モーションキャプチャ手法は、高速かつ直感的でありながら、あります先端軌跡データの生成に制限されています。新しい分子操作プロトコルのさらなる体系的な発展のためには、リアルタイムで先端軌跡データを表示するだけでなく、以前に生成されたデータを分析することができるようすることも同様に重要です。したがって、HCMの設定の機能は、実験者が先端の軌跡は、電流（I）によって増強された3D仮想場面にプロットされたデータと周波数シフトを見ることができる仮想現実ゴーグルを追加することによって、実質的に増強される（Δfの）値を測定しSPMによってリアルタイムで^8（下記参照）。それに加えて、仮想現実シーンの視覚スケール基準となる操作分子のモデルを示します。したがって、仮想現実インタフェースによってほめHCMの設定は、操作軌跡空間の体系的なマッピングと有望な操作プロトコルの連続した微細化に適しています。システムはまた、dとの知識移転を促進することに加えてifferent実験。以下の段落では、セットアップや操作実験に関連するその仕様のいくつかの説明を与えます。

実験が準備室と分析室からなる商業SPM 1×10 ^-10ミリバールのベース圧力で、超高真空（UHV）で行われます。準備室が装備されている：サンプルスパッタ法を用いるのAr ⁺ソース、マニピュレータを介して試料の移動は、低エネルギー電子線回折（LEED）、PTCDA粉末を含むカスタマイズされたクヌーセンセル（Kセル）（加熱及び試料の冷却を可能にします）昇華により精製しました。液体ヘリウム浴クライオスタット（5 L、72時間）、音叉センサ^12（装備Besocke ¹¹カブトムシ型SPMは、12 Lの容積を持つLN ₂槽クライオスタットと46時間の保持時間：分析室が装備されていますTFS））STM動作のために（電気的に接続さPTIRチップと水晶音叉からなります切断及び集束イオンビーム（FIB）（ 図 2）により先鋭化されています。

図2. 音叉センサーが付属PTIR先端を有する市販の音叉センサの（a）の画像。 （b）は FIBで切断PTIR先端頂点のSEM像。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

AFMは、TFSは、ディザピエゾとの共振_（0≈31080ヘルツF）で励起され、周波数変調（FM）モード¹³で運転されます。振動音叉の圧電信号はTFSの振動の振幅を一定に保持し、Iの変化を追跡する位相ロックループ（PLL）によって増幅され、使用されTSの共振周波数、Δfの= F – f _0は 、先端に作用する力の勾配に由来します。 X = 15、Y = 図 3に示すように、SPM先端位置は電圧（Uの_{X、U、Y、U}は_、z）のxのセットに適用される、y軸、z軸の圧電素子（5 Kにおける圧電定数によって制御されます16、Z = 6Å/ V）。 U _{xは 、U、Y、U、Z} -voltages（20ビット分解能で±10 V）はSPM電子出力で生成されます。それらは、さらに±200 Vの最大出力電圧を有する高電圧（HV）増幅器によって増幅されます

図 HCMセットアップの 3回路図 （追跡対象物）の位置とは、モーションキャプチャシステム（MCS）の2つの赤外線カメラによって追跡され、その表面上にインストールされた複数の（赤外線）IR源を有しています。そうTipControlftware電圧の集合（V _XとV _yは、V _z）の電圧が加算される（U _Xを生成する（RVS）のMCSから座標（x、y、z）が取得し、リモート電源に渡し_、U、Y、Uは_、Z）SPM先端位置を制御するためのSPMの電子機器によって生成しました。追加された電圧は、高電圧（HV）増幅器を通過し、さらにSPMチップのピエゾ位置決めシステムに適用されます。 SPMのフィードバック（FB）ループが開いている時に、セットアップは、先端の位置決めの手動制御を可能にします。 （X、Y、Z）の先端の位置ならびにI（x、y、z）とΔfの（x、y、z）は、操作者によって見られる3次元仮想シーンでプロットVRinterfaceソフトウェアに渡されます。ヘッドマウントディスプレイ（HMD）を身に着けている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

SPMチップとの間に流れるトンネル電流表面は1×10 ^{3〜1×10 9} V / A（ゲインで帯域幅1×10 ⁹ V / Aが1 kHzです）の範囲で可変利得を有するトランスインピーダンス増幅器によって測定されます。増幅器の出力は定電流走査モードにおける表面上の先端の高さを調節するためにSTMフィードバック（FB）ループに供給されます。 （TFS発振がオフになって）接合の安定性は、1-3午後です。 TFSの圧電発振信号は、2段階で増幅された：LN ₂のシールド（1×10 ⁸ V / A、帯域幅20kHzのゲイン）、および1からの可変利得（2）外部電圧増幅器に固定された（1）プリアンプ^{1×10 4〜5×10}と1MHzの帯域幅。

ディスプレイ（HMD）に取り付けモーションキャプチャシステム（MCS）、遠隔制御可能なマルチチャンネル電圧源（RVS）、加算増幅器と仮想現実ヘッド：HCM実験のために、SPMのセットアップがで拡張されています。 summi除いてリストされているデバイスのすべてngの増幅は、商業的に得ました。

MSCは、100ヘルツの速度で、空間的な変位のミリメートルの分解能を可能にする赤外線（IR）マーカー追跡システムです。システムは、2つの赤外線カメラで構成され、追跡可能なオブジェクト（TO）と制御ソフトウェア。 MCSソフトウェアは、二つのカメラによって得られたその画像を解析することにより、3次元空間内のx軸、y軸、z座標を取得します。 MCSは、個別のソフトウェアプログラムのTOの座標の使用を可能にするプログラミング・ライブラリを提供します。

TOの座標（x _{TO、y に 、TO} z）は、カスタム開発のソフトウェアプログラム」TipControl」に渡されます。4は、グラフィカル・ユーザー・インターフェースのスクリーンショットを示しています。ソフトウェアは、ウィンドウ内の「開始」ボタンによって起動されます。 、V _yを- – 、RVSでV _のz -voltages（電圧範囲±10 V 16で活性化した後（τ= 0）ソフトウェアは、すべてのV _xを設定しますビット分解能、電圧ステップ当たり50秒の待ち時間）は、以下の式に従って など 、ここで、cの_X、Cの_{Y、C zは} SPMチップの1オングストロームの変位にTOの変位5cmの変換要因です。因子Pが_X（t）は、p個の_Y（t）は、p個の_Z（t）はx軸の状態によって定義される値を有し、y軸、ソフトウェアウィンドウのZチェックボックス。ボックスは、対応するP（t）がチェックされている場合、「一時停止」ボタンがソフトウェアウィンドウに押された時点で0に設定されている1に全てのP（t）が設定されています。それは、オペレータが一時的に先端の位置を「凍結」することができます。ソフトウェアのウィンドウで「すべてをリセット」ボタンを押すと、V _xを設定します- 、V _yは – 、V _zは 、SPMソフトウェアによって定義され、その初期位置に先端を返すゼロに-voltages。ソフトウェアのウィンドウカリフォルニア州テキストフィールド」RVSを手動でコマンド " 、V _yを- – n個のV _xのいずれかを設定するために使用され、V _yを- – 、V _zは ±10 VのV _xの許容範囲内の任意の値に-voltages、V _zが追加されRVSによって生成-voltages uの_xに- 、U _Y – SPMエレクトロニクスの、uの_zの -output電圧信号加算増幅器（ゲイン1、帯域幅は50kHz、出力範囲±10 V）を介して。

インターフェース画面の図4のスクリーンショット。二つの指標はMCSとRVSシステムとの接続状態を示します。チェックボックスが選択された空間の軸に沿って手でコントロールを活性化するために使用されています。ボタン「スタート」は、図3に示すスキームに従って、MCS、TipControlとRVS間のデータフローを開始します。ボタン"一時停止"データフローを停止します。ボタン「すべてリセット」はゼロに電圧すべてRVSを設定します。= "https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg"ターゲット= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

実験データの可視化のために（先端の軌跡、I、Δfの）ヘッドマウントディスプレイ（HMD）が使用されます。 HMDは、立体視（ – それぞれの目に対して1つの半分、75 Hzで1920×1,080ピクセル分割HDディスプレイ）を提供します。専用のIRカメラは、HMDの表面に固定されたIR-LEDを用いた3次元空間におけるHMDの位置及び姿勢を追跡します。 HMD追跡システムは、オペレータが自分の頭のターンまたは単に自分の体を動かすことにより、3次元仮想現実シーンの内部ビューを変更することができます。

カスタム作成ソフトウェア「VRinterface」はSPMとMCSの両方からデータを収集し、OpenGLを使用して、3Dシーンでそれをレンダリングし、HMDのソフトウェア開発キット（SDK）の助けを借りてHMDに表示されます。 VRinterfaceから直接チップの実際のX、Y、Z座標を取得します先端ソフトウェア（数ミリ秒の待ち時間）IおよびΔfの信号は、SPMエレクトロニクス（≈250ミリ秒の待ち時間）の出力から直接読み取られている。HCM中にHMDを身に着けているオペレータによって見られるように、図 5は、3D仮想シーンのスクリーンショットを示しています。 3D仮想場面の内側先端頂点は白い球としてレンダリングされます。記録された先端の軌跡の着色は、いずれかのログ（I（X、Y、Z））またはΔfを（x、y、z）の値を反映しています。ログ（I（X、Y、Z））またはΔfを切り替える（X、Y、Z）、色モードがボタンを押すことによって行われます。別のボタンは、実験的な先端の軌跡データの記録（および表示）を開始します。もう一度押すとボタンを押すと録音を停止します。仮想場面も操作中に視覚的な補助として使用される静的PTCDA分子を示しています。オペレータは、キーボード上のボタンを使用して、表面上の実際の分子の向きに合わせて手動でその向きを揃えます。

注意：ヘッドトンので、HMDのラックは、またTOの位置を追跡するために、IR光を使用するので、それはMCSに干渉する可能性、IR-LEDに依存しています。したがって、TOは、MCSによって認識独特の形状を有していなければなりません。これは、MCSがTOとHMDのIR-LEDから来たものから来る信号を区別するのに役立ちます。

3D仮想場面の 図5 のS creenshotは、HCMの間、HMDでオペレータに表示。白い球のセットは、モデルのAg（111）表面を形成します。モデル表面の向きは必ずしもサンプルの向きと一致しない場合があります。 PTCDA分子のモデルは、モデル表面の上方に配置されています。 Cは、O、PTCDAのH原子は、それぞれ、黒、赤と白で示されています。モデル分子の便宜の方位角配向のために選択された実際の分子の向きに合わせて調整することができます操作のため。先端位置は、最も外側の先端頂点の原子を表す単一の白い球でマークされています。リアルタイムI（x、y、z）とΔfの（x、y、z）のデータがチップの隣に配置されたバーインジケータとして表示されます。以前に記録されただけでなく、現在実行中の操作は、その色のいずれかを表す（I（x、y、z）を）ログ3D軌跡又は軌跡の対応する位置で測定されたΔf（x、y、z）の値として表示されています。図は、ログ（I（X、Y、Z））信号で着色された軌跡を示します。色のコントラストは、ボタンを押すことで、ログ（I（X、Y、Z））と、Δfの（x、y、z）のモードを切り替えることができます。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

Protocol

注意：PTCDAは、皮膚や目に刺激を与えることができ、したがって、適切な手袋を使用して注意して取り扱ってください。適切な安全パンフレットを参照してください。極低温液体は、熱傷に似た皮膚への効果を得ることができるまたは長期の暴露に凍傷を引き起こす可能性があります。極低温の液体を取り扱う際には、必ず安全メガネ、適切な極低温の手袋を着用してください。極低温液体によって形成さ?…

Representative Results

注：この部分は7,8で発表された研究を示しています。 層のうちPTCDA / Agの（111）リフティングの問題にHCMを適用すると、私たちは順番に個々の分子（ 図 9）を除去することによってパターンを書き込むことができました。合計で48の分子は、分子は、操作プロセス中にそのまま留まること?…

Discussion

他のSPMベースの方法と同様に、この論文に記載の分子操作実験はまた、SPMチップの特性にある程度依存しています。 （完全に制御することはできません）先端頂点構造体は、先端分子結合の強さを決定します。したがって、チップ分子接触の強度が大幅に異なる場合があり、従って、時には低すぎるかもしれません。したがって、プロトコル内で、我々は、チップの品質と先端治療手順のい…

Materials

LN2			caution: cryogenic liquid
LHe			caution: cryogenic liquid
PTCDA			caution: irritating substance
Knudsen cell (K-cell)			custom
ErLEED	Specs		used with power supply ErLEED 1000A
combient LT NC-AFM/STM	Createc
qPlus sensor	Createc		TFS
preamplifier	Createc		amplifier for tuning forc signal fixed to LN2 shield (stage 1)
Low-Noise Voltage Preamplifier	Standford Research System	SR560	external amplifier for tuning forc signal (stage 2)
Variable Gain Low Noise Current Amplifier	Femto	DLPCA-200	amplifier for tunneling current
Bonita	Vicon	B10, SN: MXBN-0B10-3658	MCS IR camera
Apex Interaction Device	Vicon	SN: AP0062	MCS trackable object (TO)
MX Calibration Wand	Vicon		MCS calibration object
Tracker	Vicon		MCS software
BS series voltage supply	stahl-electronics	BS 1-4	RVS
summing amplifier			custom, gain 1, based on operational amplifier TL072
Oculus Rrift Development Kit 2	Oculus VR		HMD
TipControl			custom-written software
VRinterface			custom-written software