Submolecular Imaging by Noncontact Atomic Force Microscopy with an Oxygen Atom Rigidly Connected to a Metallic Probe

Abstract

In scanning probe microscopy, the imaging characteristics in the various interaction channels crucially depend on the chemical termination of the probe tip. Here we analyze the contrast signatures of an oxygen-terminated copper tip with a tetrahedral configuration of the covalently bound terminal O atom. Supported by first-principles calculations we show how this tip termination can be identified by contrast analysis in noncontact atomic force and scanning tunneling microscopy (NC-AFM, STM) on a partially oxidized Cu(110) surface. After controlled tip functionalization by soft indentations of only a few angstroms in an oxide nanodomain, we demonstrate that this tip allows imaging an organic molecule adsorbed on Cu(110) by constant-height NC-AFM in the repulsive force regime, revealing its internal bond structure. In established tip functionalization approaches where, for example, CO or Xe is deliberately picked up from a surface, these probe particles are only weakly bound to the metallic tip, leading to lateral deflections during scanning. Therefore, the contrast mechanism is subject to image distortions, artifacts, and related controversies. In contrast, our simulations for the O-terminated Cu tip show that lateral deflections of the terminating O atom are negligible. This allows a detailed discussion of the fundamental imaging mechanisms in high-resolution NC-AFM experiments. With its structural rigidity, its chemically passivated state, and a high electron density at the apex, we identify the main characteristics of the O-terminated Cu tip, making it a highly attractive complementary probe for the characterization of organic nanostructures on surfaces.

Rasterkraftmikroskopie für die molekulare Strukturaufklärung

“…[33,34] Diese Relaxationseffekte an der Spitze sind mittlerweile sehr gut verstanden [30][31][32][34][35][36] und kçnnen auch korrigiert werden. [38] Bindungsartige Kontraste an der Position von Wasserstoffbrücken wurden auch mit STM- [39] und AFM-Techniken [10,40] beobachtet. B. mit Xe, [29] Cl [9] oder CuO.…”

“…B. mit Xe, [29] Cl [9] oder CuO. [38] Bindungsartige Kontraste an der Position von Wasserstoffbrücken wurden auch mit STM- [39] und AFM-Techniken [10,40] beobachtet. Hier gibt es derzeit jedoch eine Debatte darüber,obund wieviel Wasserstoffbrücken, die im Vergleich zu kovalenten Bindungen nur eine sehr geringe Elektronendichte tragen, zum gemessenen Kontrast in den STM-und AFM-Bildern beitragen.…”

“…[29] 5) CuO-funktionalisierte Messspitzen:D iese liefern ebenfalls atomare Auflçsung bei weniger stark verzerrten Bildern verglichen mit den AFM-Aufnahmen bei CO-Funktionalisierung. [38] 6) Auch Si-und Wasserstoff-passivierte Si-Messspitzen wurden verwendet, sogar bei Raumtemperatur. [27] 7) Funktionalisierung mit grçßeren (aromatischen) Molekülen wie Pentacen, [9] C 60 [50,51] und Naphthalintetracarboxyldiimid (NTCDI).…”

“…[5] Diese Messspitzen eignen sich fürd ie atomar auflçsende Bildgebung und funktionieren besonders gut zur Bestimmung der Adsorptionsgeometrie. [38] 6) Auch Si-und Wasserstoff-passivierte Si-Messspitzen wurden verwendet, sogar bei Raumtemperatur. Dieses Molekülf ührt zu ähnlichen Ergebnissen wie CO,h at aber eine etwas grçßere Federkonstante fürd ie laterale Bewegung und lçst sich während des Rastervorgangs auch leichter von der Spitze ab.Daher findet es weniger Verwendung.…”

“…Xe-Messspitzen eignen sich z. Schwach verzerrte Bilder (aber auch solche ohne vermeintliche Kontrastverschärfung durch Relaxation der Spitze) erhält man mit sehr starren Spitzen, die etwa mit Cl [9] oder CuO [38] funktionalisiert wurden. [29] Hapala et al schlugen eine Messung des elektrischen Felds durch Vergleich der Verzerrungen in AFM-Bildern vor, die mit unterschiedlichen Spitzen aufgenommen wurden [25] (d. h. mit Spitzen mit unterschiedlichen Dipolmomenten).…”