Hånd Kontrollert Manipulering av enkle molekyler via en Scanning Probe Microscope med en 3D Virtual Reality Interface

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

Vurderer organiske molekyler som de funksjonelle byggesteinene i fremtiden nanoskala teknologi, er spørsmålet om hvordan å ordne og sette sammen slike byggesteiner i en bottom-up tilnærming fortsatt åpen. Den scanning probe mikroskop (SPM) kan være et verktøy for valg; Men SPM-baserte manipulering ble inntil nylig begrenset til to dimensjoner (2D). Binding SPM spissen til et molekyl ved en veldefinert posisjon åpner en mulighet for kontrollert manipulering i 3D-rom. Dessverre er 3D manipulasjon i stor grad uforenlig med den typiske 2D-paradigme visning og genererer SPM data på en datamaskin. For intuitiv og effektiv manipulering vi derfor paret en lav temperatur ikke-kontakt atomic force / scanning tunneling mikroskop (LT NC-AFM / STM) til et motion capture system og fullt oppslukende virtuell virkelighet briller. Dette oppsettet gjør det mulig "hånd styrt manipulasjon» (HCM), hvori SPM tuppen beveges i henhold til bevegelsen av experimenter hånd, waler tips baner samt responsen fra SPM krysset er visualisert i 3D. HCM baner vei for utvikling av komplekse manipulasjon protokoller, kan føre til en bedre grunnleggende forståelse av nanoskala interaksjoner som virker mellom molekyler på overflater. Her beskriver vi oppsett og fremgangsmåten for å oppnå vellykket hånd-kontrollerte molekylær manipulering i virtuell virkelighet miljø.

Introduction

Den lave temperaturen ikke-kontakt atomic force / scanning tunneling mikroskop (LT NC-AFM / STM, i det følgende bare kalt SPM) er førstevalget for atomically presis manipulasjon av individuelle atomer eller molekyler ^{1 – 3.} SPM-baserte manipulasjon er vanligvis begrenset til to dimensjoner og består av en serie med brå og ofte stokastiske manipulasjon hendelser (hopp). Dette begrenser i det vesentlige kontroll over prosessen. Kontakte molekylet i spørsmålet ved en enkel kjemisk binding ved en veldefinert atom posisjon fører til en fremgangsmåte som kan overvinne disse begrensningene ^{4 – 9.} I hele sin manipulasjon det kontaktede molekylet er koblet til SPM-spissen slik at bevegelse av molekylet i alle tre dimensjoner ved hjelp av passende forskyvninger av tuppen blir mulig. Dette skaper muligheter for ulike komplekse manipulasjon prosedyrer utført i 3D-rom. Men kontakter manipulasjon kan være hindered ved interaksjoner av den manipulerte molekyl med den overflate eller / og andre molekyler i omgivelsene, noe som kan skape krefter som er store nok til å briste tuppen-molekylet kontakt. Derfor er en spesiell 3D banen til SPM spissen kan eller ikke kan resultere i en vellykket manipulering arrangement. Et spørsmål melder seg dermed hvordan man definerer protokoller som fører til en vellykket gjennomføring av manipulasjon i forhold når tip-molekylet obligasjon har en begrenset styrke, mens interaksjoner av den manipulerte molekylet med omgivelsene er ikke a priori godt karakterisert.

Her dette spørsmålet er kontaktet i den mest intuitive måten tenkelig. Experimenter tillates å kontrollere de forskyvninger av SPM tuppen bare ved å bevege hånden ^7. Dette oppnås ved å koble den SPM til et kommersielt motion capture system, noen av spesifikasjonene som er gitt nedenfor. Fordelen med "hånd kontrollert manipulering" (HCM) er i than eksperimentator evne til å prøve ut forskjellige manipulasjon baner raskt og lære av deres fiasko eller suksess.

HCM oppsettet har vært brukt til å utføre en proof-of-prinsipp eksperiment hvor et ord ( "Julich") ble stenciled i et lukket lag av perylen-3,4,9,10-tetrakarboksylsyre-dianhydrid (PTCDA) molekyler på Ag ( 111), fjerne 48 molekyler, én etter én, med HCM ^7. Løfting et molekyl fra overflaten spalter dets intermolekylære hydrogenbindinger som binder molekylene i den monolaget ^10. Vanligvis er den totale styrken av de foreliggende intermolekylære bindinger overskrider styrken av enkelt kjemisk binding mellom den ytterste atom av spissen og en karboksylisk oksygenatomet PTCDA ved hvilken molekylet bringes i kontakt (se figur 1). Som kan føre til brudd av spiss-molekylet kontakt og følgende svikt i manipulasjon forsøk. Experimenter oppgave er derfor å determine en spiss bane som bryter de motsette intermolekylære bindinger i rekkefølge i stedet for samtidig, slik at den totale kraft som påføres spissen-molekylet kontakt aldri overskrider dens styrke.

Selv om den ønskede bane kan i prinsippet bli simulert, på grunn av størrelsen og kompleksiteten i systemet er involvert nødvendige simuleringene ville ta en uforholdsmessig stor mengde av tid. I motsetning til dette, ved hjelp av HCM var det mulig å fjerne den første molekylet etter 40 minutter. Mot slutten av forsøket ekstraksjonen tok allerede mye mindre tid som bekrefter effektiviteten av læringsprosedyre. I tillegg ble det nøyaktighet og allsidighet av HCM metoden dokumentert i lov av omvendt manipulasjon når et molekyl hentet fra nabo stedet ble brukt til å lukke tomrommet etter den feilaktige fjerning av et annet molekyl fra monolaget.

Motion capture tilnærming, samtidig som raskt og intuitivt, erbegrenset til genereringen av tip-banedata. For ytterligere systematisk utvikling av nye molekylære manipulasjon protokoller er det like viktig å være i stand til å vise tips banedata i sanntid samt å analysere tidligere genererte data. Derfor er funksjonaliteten til HCM setup forbedret vesentlig ved å legge virtual reality briller som gjør at experimentalist å se dataene plottet i 3D virtuell scene hvor tuppen banen er utvidet med strømmen (I) og frekvensskifte (AF) verdier målt ved SPM i sanntid ⁸ (se nedenfor). I tillegg til at det virtuell virkelighet scene viser en modell av den manipulerte molekyl som fungerer som en visuell skala referanse. Dermed HCM oppsett kompletteres av den virtuelle virkeligheten grensesnittet er egnet for systematisk kartlegging av manipulasjon banen plass og påfølgende raffinement av de lovende manipulasjon protokoller. Foruten at systemet forenkler også kunnskapsoverføring mellom different eksperimenter. Følgende avsnitt gir en beskrivelse av oppsett og noen av dens spesifikasjoner som er relevante for manipulasjon eksperimenter.

Forsøkene er utført i ultrahøyt vakuum (UHV) ved en base trykk på 1 x 10 ^-10 mbar med en kommersiell SPM som består av et preparat skammer og et analysekammer. Fremstillingen kammeret er utstyrt med: Ar ⁺ kilde brukes til prøve sputtering, prøveoverføring via manipulator (tillater oppvarming og avkjøling av en prøve), lav-energi elektrondiffraksjon (LEED), et tilpasset Knudsen celle (K-celle) inneholdende PTCDA pulver renset ved sublimering. Analysen kammeret er utstyrt med: LN _a bad kryostaten med et volum på 12 l og en holdetid på 46 timer, lhe bad kryostat (5 l, 72 timer), Besocke ¹¹ bille-typen SPM er utstyrt med en stemmegaffel-sensor ¹² ( TFS) består av en kvarts stemmegaffel med en elektrisk tilkoblet PtIr tips (for STM drift), Som er skåret og slipt med en fokusert stråle ion (FIB) (figur 2).

Figur 2. Tuning gaffel sensor. (A) Bilde av en kommersiell stemmegaffel sensor med vedlagt PtIr tips. (B) SEM bilde av PtIr spiss apex kuttet med FIB. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

AFM er operert i frekvensmodulert (FM) -modus ¹³ hvor TFS er spent på resonans (f ₀ ≈ 31080 Hz) med en sprednings piezo. Den piezoelektriske signal til den oscillerende stemmegaffelen forsterkes og brukes av en faselåst sløyfe (PLL), som holder amplituden av TFS 's svingning konstant og sporer endringer i its resonansfrekvens, A f = f – f _0, som stammer fra gradienten av den kraft som virker på spissen. Som vist i figur 3 SPM spissposisjon styres av spenningene (U _{x, y} u, u _z) påført på et sett av x-, y-, z-piezos (piezo konstanter ved 5 K: x = 15, y = 16, z = 6 A / V). Den u _x, er u _y, u _z -voltages (± 10 V ved 20 bits oppløsning) generert på SPM-elektronikk utganger. De er videre forsterket ved hjelp av en høy spenning (HV) forsterker som har en maksimal utgangsspenning på ± 200 V.

Figur 3. Skjematisk av HCM oppsett. Posisjonen (spores objekt) TIL som har flere (infrarød) IR kilder installert på overflaten spores ved to infrarøde kameraer av motion capture-system (MCS). TipControl såftware henter TO koordinater (x, y, z) fra MCS og sender den til den eksterne spenningskilden (RVS) som genererer et sett av spenninger (v _x, v _y, v _z) som blir summert sammen med de spenninger (u _x , u _y, u _z) produsert av SPM elektronikk for kontroll av SPM spissposisjon. Den ekstra spenning passerer gjennom en høy spenning (HV) forsterker og er videre påført på piezo-posisjoneringssystemet på SPM tips. Oppsettet gir manuell kontroll av spissen posisjonering når SPM feedback (FB) loop er åpen. (X, y, z) posisjon av spissen, så vel som I (x, y, z) og Af (x, y, z) føres til den VRinterface programvaren som plotter den i 3D virtuelle scene ses av operatøren iført hodemontert display (HMD). klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Den tunneling strøm som flyter mellom SPM tips ogoverflaten måles ved en transimpedansforsterker med en variabel forsterkning som varierer fra 1 x ^oktober 3 til 1 x 10 ⁹ V / A (båndbredde ved forsterkning 1 x 10 ⁹ V / A er 1 kHz). Utgangen fra forsterkeren føres inn i STM tilbakemelding (FB) sløyfe for å regulere tuppen høyde over vannflaten i konstant strøm skannemodus. Stabiliteten av krysset (med TFS oscillasjon slått av) er 1-3 pm. Den piezoelektriske oscillasjonssignal av TFS forsterkes i to trinn: (1) forforsterkeren festet til LN ₂ skjoldet (oppnå 1 x 10 ⁸ V / A, båndbredde 20 kHz), og (2) ytre spenningsforsterker med variabel forsterkning fra ett x ^oktober 1 til 5 x 10 ⁴ og en båndbredde på 1 MHz.

For HCM eksperimenter er SPM oppsett utvidet med: motion capture system (MCS), fjernstyrt flerspenningskilde (RVS), summere forsterker og virtuell virkelighet hode montert display (HMD). Alle de oppførte enheter, unntatt Summing forsterker ble kjøpt kommersielt.

MSC er en infrarød (IR) markør-sporingssystem som gjør millimeter oppløsning av romlige forskyvninger med en hastighet på 100 Hz. Systemet består av to IR-kamera, et sporbart objekt (TO) og styringsprogramvaren. Den MCS programvare henter x-, y-, z-koordinatene til TIL i 3D-rom ved å analysere sine bilder innhentet av de to kameraene. MCS gir et programmeringsbibliotek som tillater bruk av koordinatene til TIL i et eget program.

Koordinatene til Å _(X, Y for _å, z _TO) blir sendt til en spesialutviklet programvare program "TipControl". Figur 4 viser et skjermbilde av det grafiske brukergrensesnittet. Programvaren aktiveres av "Start" -knappen i vinduet. Etter aktivering (τ = 0) programvaren setter alle v _x -, v _y -, -voltages v _z på RVS (spenningsområde ± 10 V ved 16bit oppløsning, 50 msek latens per spenningstrinn) i henhold til det følgende uttrykk etc., hvor c _x, c _y, c _z er de faktorene som konverterer 5 cm forskyvning av TIL til en forskyvning av SPM spissen. Den faktorer p _x (t), p _y (t), p _z (t) har verdier som er definert av status for x-, y-, z-avkrysningsbokser i programvaren vinduet. Hvis boksen er krysset deretter den tilsvarende p (t) er satt til 1. Alle p (t) er satt til 0 i det øyeblikket når "pause" trykkes i programvaren vinduet. Det tillater operatøren å midlertidig "fryse" posisjon av spissen. Ved å trykke på "reset all" knappen i programvaren vinduet setter v _x -, v _y -, -voltages v _z til null som returnerer spissen til sin opprinnelige posisjon defineres av SPM-programvaren. Tekstfeltet "manuell kommando til RVS" i programvaren vinduet ca n brukes til å sette noen av v _x -, v _y -, -voltages v _z til noen verdi i det tillatte området ± 10 V. v _x -, v _y -, -voltages v _z generert av RVS er lagt til u _x -, u _y -, u _z-utgang spenningssignaler av SPM elektronikk via en summeringsforsterker (få en, båndbredde 50 kHz, effektområde ± 10 V).

Figur 4. Skjermbilde av grensesnittet vinduet. To indikatorer vise status for forbindelsen med MCS og RVS systemer. Boksene er brukes til å aktivere håndkontroll langs utvalgte romlige akser. Knappen "Start" initierer dataflyt mellom MCS, TipControl og RVS i henhold til ordningen vist i Figur 3. Button "Pause" stopper datastrømmen. Button "Reset All" setter alle RVS spenninger til null.= "Https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg" target = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

For visualisering av de eksperimentelle data (tip bane, I, A f) en hodemontert display (HMD) brukes. HMD gir et stereoskopisk syn (split HD-skjerm – en halv for hvert øye, 1920 x 1080 piksler ved 75 Hz). En dedikert IR-kamera sporer posisjonen og orienteringen av HMD i 3D-rom ved hjelp av IR-LED fast på overflaten av HMD. HMD sporingssystem gjør at føreren kan endre visningen i 3D virtuell virkelighet scene av en sving av hodet eller rett og slett å bevege kroppen sin.

Den spesial skrevet software "VRinterface" samler data både fra SPM og MCS, gjør det i 3D-scene ved hjelp av OpenGL og viser det i HMD med hjelp av HMDS software development kit (SDK). VRinterface henter selve x-, y-, z-koordinatene av spissen direkte fratips programvare (noen millisekund latency) mens jeg og AF signaler leses direkte fra utgangene på SPM elektronikk (latency ≈ 250 msek). Figur 5 viser et skjermbilde av 3D virtuell scene sett fra operatør iført HMD under HCM. Inne i virtuell 3D-scene spissen apex er gjengitt som en hvit kule. Fargingen av de registrerte baner spissen reflekterer verdier av enten log (I (x, y, z)) eller Af (x, y, z). Bytte mellom log (I (x, y, z)) eller Af (x, y, z) fargemoduser gjøres ved å trykke på en knapp. En annen knapp starter opptak (og vise) eksperimentelle tips banedata. Når du trykker en gang på knappen stopper opptaket. Den virtuelle scene viser også en statisk PTCDA molekyl som brukes som et visuelt hjelpemiddel under manipulasjon. Operatøren justerer sin orientering manuelt for å passe retningen av den virkelige molekyl på overflaten ved hjelp av knapper på et tastatur.

Forsiktig: Fordi hodet treoler av HMD er avhengig av IR-lysdioder, den kan forstyrre den MCS siden den bruker også IR-lys for å spore posisjonen til TO. Derfor TIL må ha en unik form anerkjent av MCS. Dette bidrar MCS å diskriminere mellom signalene som kommer fra TIL og de som kommer fra IR-lysdioder av HMD.

Figur 5. S creenshot av 3D virtuell scene vises til operatøren i HMD under HCM. Et sett med hvite kuler danner en modell Ag (111) overflate. Orientering av modellen overflaten kan ikke nødvendigvis faller sammen med orienteringen av prøven. En modell av PTCDA molekylet er plassert over modelloverflaten. C, O, H atomer av PTCDA er vist i svart, rødt og hvitt hhv. For det formål å lettere asimut-orientering av modellen molekylet kan justeres for å passe til orienteringen av den virkelige molekylet velgesfor manipulasjon. Den spissposisjonen er markert ved en enkelt hvit kule som representerer den ytterste spissen apex atom. Sanntids I (x, y, z) og A f (x, y, z) data er vist som strekindikatorer som er lagt inn ved siden av spissen. Tidligere registrert så vel som for tiden utførte manipulasjoner er vist som 3D-baner hvis farge representerer enten log (I (x, y, z)) eller A f (x, y, z) verdier, målt på tilsvarende stillinger av banen. Figuren viser baner som er farget med log (I (x, y, z)) signal. Den fargekontrast kan veksle mellom log (I (x, y, z)) og Af (x, y, z) modusene ved å trykke på en knapp. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Protocol

Forsiktig: PTCDA kan være irriterende for huden eller øynene, og bør derfor behandles med forsiktighet ved hjelp av egnede hansker. Ta kontakt med egnede sikkerhetsbrosjyrer. Kryogene væsker kan produsere effekter på huden ligner en brannskade eller kan føre til frostskader ved langvarig eksponering. Bruk alltid vernebriller og egnede kryogene hansker ved håndtering av kryogene væsker. Gassen som dannes ved kryogene væsker er meget kaldt og vanligvis tyngre enn luft og kan samle seg i nærheten av gulvet fortrenge luften. Når det …

Representative Results

Merk: Denne delen viser arbeid publisert i 7,8. Bruk av HCM på problemet med å løfte PTCDA / Ag (111) ut av et lag, vi var i stand til å skrive et mønster av sekvensielt fjerne enkeltmolekyler (figur 9). I alt 48-molekyler ble fjernet, 40 som kan bli gjenavsatt på det rene Ag (111), som viser at molekylene holde seg intakt under manipulering prosessen. Dette gjør det mulig å…

Discussion

Som andre SPM-baserte metoder, de molekylære manipulasjon eksperimentene som beskrives i denne artikkelen også avhenge i noen grad på egenskapene til SPM tips. Spissen apex struktur (som ikke fullt ut kan kontrolleres) bestemmer styrken av tupp-molekylet binding. Derav styrken av tupp-molekylet kontakt kan variere betydelig, og således noen ganger kan være for lav. Derav i protokollen vi refererer til noen grunnleggende tester av tips kvalitet og tips behandling prosedyrer. Imidlertid kan en mer alvorlig spiss beha…

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