科学家首次在金属表面形成带电的稀土分子并使其旋转

科学家们首次在金属表面形成一个带电的稀土分子，并使用扫描隧道显微镜对其进行旋转。来自俄亥俄大学、阿贡国家实验室和伊利诺伊大学芝加哥分校的科学家们使用扫描隧道显微镜在金属表面形成一个带电的稀土分子，并在不影响其电荷的情况下顺时针和逆时针旋转它。他们的发现为研究对未来很重要的材料的原子尺度操纵开辟了新的途径，这些材料包括从量子计算到消费电子。

稀土元素对高科技应用至关重要，包括手机、高清电视等等。团队负责人Saw-Wai Hla说："这是首次在金属表面形成带有正负电荷的稀土复合物，也是首次展示对其旋转的原子级控制，"他拥有阿贡大学科学家和俄亥俄大学文理学院物理和天文学教授的双重身份。

该实验在阿贡和俄亥俄大学进行，利用了两个不同的低温扫描隧道显微镜（STM）系统。STM实验的环境要求在超高真空中的温度约为5摄氏度（-450华氏度）。样品分子的大小大约为2纳米。

(a) 旋转的Eu复合物的STM图像在Au(111)上显示为一个圆盘形状。(b) 通过从STM尖端提供电能来进行控制旋转。(c), (d) 分别是一个复合物旋转前和旋转后。虚线圈表示用于控制的反离子。资料来源：Saw Wai Hla

Hla说："在两个地方都取得了相同的结果，这确保了实验的可重复性。"俄亥俄州的实验室由Hla小组的学生操作，该小组与纳米和量子现象研究所有关。

这些科学家的研究最近发表在《自然通讯》杂志上。

研究人员组装的稀土复合物是带正电的铕基分子与带负电的反离子在黄金表面上。通过应用从STM尖端发出的电场，利用下面的反离子作为支点，导致复合物的旋转。研究人员证明了对这些稀土复合物旋转的100%的方向控制。

俄亥俄大学化学系教授兼Roenigk主席Eric Masson是该项目的共同研究者之一，他设计了这些稀土复合物，他在俄亥俄大学的小组合成了这些复合物。阿贡的科学家和伊利诺伊大学芝加哥分校化学工程系副教授Anh Ngo的小组利用阿贡的BEBOP（迄今为止美国最强大的超级计算机）进行了密度函数理论计算。计算结果显示，在分子-基质界面上只有微不足道的电荷转移，这意味着复合物在表面上仍然带电。

Hla和合作者在阿贡高级光子源用一种被称为同步辐射X射线扫描隧道显微镜的新生实验方法确定了吸附在表面上的复合物中的Eu离子的化学状态，他们确认分子在金表面带正电。STM图像显示该结构是一个带有三条臂的扭曲的三角形。用创纪录的8000个光谱帧获得的STM电影证明了下面的反离子的加入。然后，Hla小组使用STM操作进一步证明了控制旋转，它显示了顺时针和逆时针的随意旋转。

"这些发现对于开发纳米机械装置可能是有用的，在这些装置中，复合体中的各个单元被设计为控制、促进或限制运动，"Hla说。"我们已经证明了带电稀土复合物在金属表面的旋转，现在可以对它们的电子和结构以及机械性能进行一次复合调查。"

内容来源：产业前沿

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