Физики разобрались в стабильности стоячей молекулы

Marvin Knol et al. / Science Advances, 2021

Физики выяснили причину необычного поведения молекулы диангидрида 3,4,9,10-перилентетракарбоновой кислоты, которой удается стоять вертикально на серебряной подложке. Изучая вероятность ее падения для разных температур и проводя моделирование, физики выяснили, что в зависимости потенциальной энергии от угла наклона молекулы есть потенциальная яма, которая обеспечивает ее стабильность. Исследование опубликовано в Science Advances.

Главная цель нанотехнологий — это создание функциональных наноструктур и наномашин. Для ее достижения физикам и инженерам необходимо научится создавать конструкции на молекулярном уровне. За последние несколько десятков лет исследователи достигли большого прогресса в создании разнообразных плоских структур, однако этого может быть недостаточно.

Для изготовления трехмерных наноструктур необходимо создавать устойчивые молекулярные конструкции, ориентированные перпендикулярно поверхности. Недавно физики смогли поставить вертикально одиночную молекулу диангидрида 3,4,9,10-перилентетракарбоновой кислоты (PTCDA) на серебряной поверхности. Такая конфигурация уже показала себя как источник одиночных электронов и как наконечник для зондового микроскопа. Несмотря на эти применения, никто до сих пор не исследовал причину стабильности вертикальной молекулы, что необходимо для проектирования новых структур с ее участием.

Этот пробел закрыла группа физиков из Великобритании и Германии при участии Марвина Кнола (Marvin Knol) из Юлихского исследовательского центра. Они провели серию экспериментов, в которых выяснили, насколько быстро падает вертикальная молекула PTCDA с ростом температуры. Это позволило измерить потенциальный барьер в обеих конфигурациях.

Для того, чтобы поставить лежащую на поверхности серебра молекулу PTCDA вертикально физики с помощью зондового микроскопа прикрепляли к одному из ее концов два дополнительных атома серебра (адатомы). Затем наконечник зонда связывался с кислородом на втором концом молекулы и поднимал ее, поворачивая вокруг оси, проходящей через центры адатомов. При этом реализуются две возможные конфигурации, в зависимости от того, как расположен адатомный пьедестал на поверхности серебра.

Отводя зонд на некоторое время и меняя температуру, ученые измеряли вероятность того, что молекула останется стоять на месте. Повторяя протокол эксперимента 1270 раз, они зафиксировали суммарно 235 падений молекулы в диапазоне температур от 10 до 14 кельвин и для свободных времен, равных 3, 10 и 56 секунд. Распределение соответствующей вероятности хорошо описывалось законом Аррениуса. Из аппроксимации этой формулой физики вычислили, что величины потенциальных барьеров для двух разных конфигураций равны примерно 26 и 31 миллиэлектронвольт, соответственно.

Авторы сопроводили эксперимент моделированием. Для этого они использовали теорию функционала плотности с обменно-корреляционным функционалом Пердью-Берк-Эрнцерхофа, а для учета вандерваальсовских взаимодействий применили два разных подхода. Вычисление зависимости потенциальной энергии от угла поворота относительно оси, проходящей через середины адатомов показало, что стабильность вертикальных конфигураций обеспечивается тонким балансом между локальным ковалентным и дальнодействующим вандерваальсовским взаимодействием.

Анализируя получившуюся потенциальную яму вкупе с экспериментальными данными о барьере, авторы заключили, что вертикальную молекулу PTCDA можно использовать как механический осциллятор на частотах порядка нескольких десятков гигагерц, который можно настраивать, подводя или отводя зонд. Это представляет особенный интерес для физики магнитного резонанса, оперирующей в тех же диапазонах, поскольку такая молекула обладает неспаренным локальным спином.

Помимо создания молекулярных строительных блоков большой интерес представляет возможность включать и выключать взаимодействие между ними и зондом. Мы уже рассказывали, как управление полярной ковалентной связью между атомами позволило приподнять графеновый слой.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.