Cette percée ouvre de nouvelles possibilités de recherche sur la manipulation à l’échelle atomique de matériaux importants pour l’avenir
Pour la première fois, des scientifiques ont formé une molécule de terre rare chargée sur une surface métallique et l’ont fait tourner en utilisant la microscopie à effet tunnel.
Des scientifiques de Université de l’Ohio, Laboratoire National d’Argonneet le Université de l’Illinois à Chicago utilisé la microscopie à effet tunnel pour former une molécule de terre rare chargée sur une surface métallique et la faire tourner dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre sans affecter sa charge.
Leurs découvertes ouvrent de nouvelles voies de recherche sur la manipulation à l’échelle atomique de matériaux importants pour l’avenir, allant de
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“Rare earth elements are vital for high-technological applications including cell phones, HDTVs, and more. This is the first-time formation of rare-earth complexes with positive and negative charges on a metal surface and also the first-time demonstration of atomic-level control over their rotation,” said team lead Saw-Wai Hla, who has dual appointments as a scientist at Argonne and professor of physics and astronomy in the College of Arts and Sciences at Ohio University.
The experiment was carried out at both Argonne and Ohio University, utilizing two different low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) systems. The environment for STM experiments requires a temperature of about 5 degrees K (-450 degrees Fahrenheit) in an ultrahigh vacuum. The size of the sample molecules was roughly 2 nanometers.
Rare-Earth Rotor. (a) STM image of a rotating Eu complex appears as a disc shape on Au(111). (b) Controlled rotations are performed by supplying electrical energy from an STM tip. (c), (d) Before and after rotation of a complex, respectively. The dashed circle indicates the counterion used for the control. Credit: Saw Wai Hla
“The same results were achieved in both locations, which ensures reproducibility,” Hla said. The Ohio lab is operated by students of the Hla group associated with the Nanoscale & Quantum Phenomena Institute.
The scientists’ research was recently published in the journal Nature Communications.
The rare-earth complexes the researchers assembled were positively charged Europium base molecules with negatively charged counterions on a gold surface. Rotations of the complexes resulted from applying electric field emanating from the STM tip, using the counterion underneath as a pivot. The researchers demonstrated 100% directional control over the rotation of these rare-earth complexes.
Ce film révèle différentes positions énergétiques et les formes des orbitales inoccupées de [Eu(pcam)3X]2+ et [Eu(pcam)3]3+. Il est créé à partir de cartes spectroscopiques 8000 dI/dV acquises sur une paire de [Eu(pcam)3X]2+ – [Eu(pcam)3]Complexes 3+ à ± 2000 mV avec un intervalle de 1 mV entre les trames consécutives. Ce film montre la rotation contrôlée dans le sens des aiguilles d’une montre d’un [Eu(pcam)3X2]+ complexe sur la surface Au (111) lorsqu’un champ électrique négatif est appliqué à partir de la pointe STM.
Eric Masson, professeur et chaire Roenigk de chimie à l’Université de l’Ohio et l’un des co-chercheurs du projet a conçu les complexes de terres rares, et son groupe à l’Université de l’Ohio les a synthétisés. Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité ont été effectués par des scientifiques d’Argonne et le groupe d’Anh Ngo, professeur agrégé de génie chimique à l’Université de l’Illinois à Chicago, à l’aide du BEBOP d’Argonne, le supercalculateur le plus puissant des États-Unis à ce jour. Les calculs ne dévoilent qu’une quantité négligeable de transfert de charge à l’interface molécule-substrat, ce qui signifie que les complexes sont restés chargés à la surface.
L’état chimique de l’ion Eu dans les complexes adsorbés à la surface est déterminé par une méthode expérimentale naissante connue sous le nom de microscopie à effet tunnel à balayage de rayons X synchrotron à l’Advanced Photon Source à Argonne par Hla et ses collègues, où ils confirment que les molécules sont chargés positivement à la surface de l’or. Les images STM montrent la structure comme une forme triangulaire déformée avec trois bras. L’incorporation du contre-ion en dessous est prouvée par un film STM acquis avec un nombre record de 8 000 images spectroscopiques. Ensuite, le groupe Hla a utilisé la manipulation STM pour démontrer davantage la rotation de contrôle, qui montre des rotations dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre à volonté.
“Ces découvertes peuvent être utiles pour le développement de dispositifs nanomécaniques où les unités individuelles du complexe sont conçues pour contrôler, favoriser ou restreindre le mouvement”, a déclaré Hla. “Nous avons démontré la rotation de complexes de terres rares chargés sur une surface métallique, ce qui permet désormais d’étudier un complexe à la fois pour leurs propriétés électroniques et structurelles ainsi que mécaniques.”
Référence : “Contrôle atomiquement précis de la dynamique de rotation dans des complexes de terres rares chargés sur une surface métallique” par Tolulope Michael Ajayi, Vijay Singh, Kyaw Zin Latt, Sanjoy Sarkar, Xinyue Cheng, Sineth Premarathna, Naveen K. Dandu, Shaoze Wang, Fahimeh Movahedifar, Sarah Wieghold, Nozomi Shirato, Volker Rose, Larry A. Curtiss, Anh T. Ngo, Eric Masson et Saw Wai Hla, 22 octobre 2022, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-022-33897-3
L’étude a été financée par le Département américain de l’énergie, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Materials Science and Engineering Division.