به تازگی روش تصویربرداری جدیدی با استفاده از تکنیک پروبی روبشی ایجاد شده که در آن حساسیت به میدان الکتروستاتیکی اطراف یک تک اتم بسیار افزایش داده شده است. در این روش که اساس آن میکروسکوپی نیرویی اتمی است از مفاهیم نقاط کوانتومی و اثر تونل زنی بین نمونه و راس میکروسکوپ استفاده شده است. وضوح و دقت تصاویر در این روش به حدی زیاد است که پیش‌بینی می‌شود واکنش‌های شیمیایی و تغییر در ساختار الکترونی مواد را نیز بتوان به ثبت رساند.

«همه چیز از اتم درست شده است. اتم‌ها ذرات ریزی هستند که حرکت دورانی دائمی دارند، و با کم‌شدن فاصله بین‌شان یکدیگر را جذب می‌کنند، و در صورتی که روی هم فشار داده شوند یکدیکر را دفع می‌کنند.» این عبارت به انتخاب ریچارد فاینمن مهم‌ترین ماحصل علمی برای انتقال به تمدن‌های آینده است [1]. احتمالا به همین دلیل است که او دیدن اتم‌ها با استفاده از میکروسکوپ روبشی الکترونی را یک تجربه دینی می‌داند [2]. می‌توان این گونه حدس زد که فاینمن به شدت تحت تاثیر روش STM یا همان میکروسکوپی نیروی اتمی قرار گرفته، که به ما این امکان را می‌دهد تا نیروهای اتمی را کاوش کنیم. فاینمن شناخت این نیروها را برای فهم علم بسیار ضروری می‌دانست. در حال حاضر، کریستین واگنر (Christian Wagner) از مرکز تحقیقاتی یولیش در آلمان و همکارانش قابلیت‌های میکروسکوپی نیرویی را تا سطح جدیدی ارتقا داده‌اند. آن‌ها برای تحقق این هدف، مولکولی را به انتهای تیز پروب یک میکروسکوپ STM چسبانده و آن را به عنوان نقطه‌ای کوانتومی که نسبت به میدان‌های الکتریسیته ساکن حساس است در نظر گرفتند [3]. نقطه کوانتومی مولکولی که در انتهای پروب قرار دارد، باعث می‌شود تا پتانسیل الکتریکی به دور یک اتم یا مولکول هدف توزیع شود و به این ترتیب اطلاعات دقیق‌تری از نیروهای اتمی که فاینمن را شگفت زده کرد در اختیار دانشمندان قرار دهد. حساسیت زیادی که در این روش ایجاد می‌شود می‌تواند برای سطوح زبر، مواد جذب شده بر روی نیمرساناها یا نانوساختارهای مصنوعی بسیار مفید باشد.

در واقعیت رهیافت واگنر روش شناخته شده‌ای است که میکروسکوپی نیرویی دینامیک یا NC-AFM نام دارد [4]. در تشابه با تمام روش‌های پروبی روبشی، روش NC-AFM شامل راس به شدت تیزی به قطر چند اتمی سطح نمونه است که نوک آن به یک اتم یا مولکول منتهی می‌شود. اغلب هدف موردنظر یک تک اتم یا یک تک مولکول است که بر روی سطح جذب شده است. نیروهای اتمی بین پروب تیز و نمونه زیرین با به‌کارگیری ویژگی‌های مهم‌ترین مبحث در دوره کارشناسی، یعنی همان نوسانگر هارمونیک ساده اندازه‌گیری می‌شود.

این پروب نیز به انتهای پایه‌ای متصل است[5] که با فرکانس تشدید نوسان کرده و امتداد سطح را با استفاده از فعال‌کننده‌های پیزوالکتریک جاروب می‌کند.

راس پروب نیروهای متفاوتی را تجربه می‌کند (برای مثال نیروهای مرتبط با شکل‌گیری پیوند شیمیایی یا، در زمانی که راس و نمونه فاصله بسیار کمتری دارند، اصل طرد پائولی)، که انتقالی را در فرکانس تشدید دندانه ایجاد می‌کند. با اندازه‌گیری این جابه‌جایی‌ها در فواصل مختلف، انرژی پتانسیل برهم‌کنش راس-نمونه می‌تواند استخراج شود.

به این ترتیب، NC-AFM مجموعه‌ای از اکتشافات شگفت‌آور و پیشرفت‌های شگرفی را در تنها یک دهه در تصویربرداری تک-اتمی یا تک-مولکولی به بار آورده است. به طور خاص محققان تصاویر خارق العاده‌ای از ساختار درونی و چارچوب پیوندها مولکول‌های واحد را به دست آورده‌اند که وضوح باورنکردنی دارد [6] و پیشتاز زیرشاخه جدیدی از تصویربرداری با وضوح فوق‌بالا NC-AFM است[7]. این نقشه‌های مولکولی برای مثال می‌توانند برای فهم بهتر بازچینش‌های اتمی که در واکنش‌های شیمیایی روی می‌دهد مورد استفاده قرار بگیرند.

علی‌رغم این پیشرفت‌ها [8]، شواهدی نیز وجود دارد که نشان می‌دهد الگوبرداری و تفسیر مطمئن پتانسیل الکتروستاتیکی تک اتم‌ها و تک مولکول‌ها کار به شدت دشواری است. میکروسکوپ نیرویی پروبی کلوین (KPFM) که به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد نوع دیگری از NC-AFM است که در آن جابه‌جایی در فرکانس تشدید شده پایه، Δf به عنوان تابعی از ولتاژ اعمالی V، بین راس و نمونه اندازه‌گیری می‌شود. محققان ولتاژی را که(V)Δf را کمینه می‌کند اندازه‌گیری کرده و با توجه به آن برهم‌کنش‌های الکتروستاتیکی روی سطح نمونه را تخمین می‌زنند [9]. با این وجود متاسفانه زمانی که منحنی (V)Δf و چگونگی وابستگی آن به فاصله جدایی راس-نمونه را می‌خواهیم تفسیر کنیم روش KPFM با چالش‌های تجربی و نظری زیادی روبرو می‌شود.

برای برطرف‌کردن برخی از محدودیت‌های KPFM و بهبود حساسیت NC-AFM به پتانسیل‌های الکتروستاتیکی مرتبط با تک اتم‌ها و تک مولکول‌ها، واگنر و دیگران به طور هوشمندانه‌ای رهیافتی را به کار گرفته‌اند که به صورت گسترده‌ برای مطالعه نقطه‌های کوانتومی استفاده می‌شود. نقطه‌های کوانتومی ترازهای انرژی مشخصی دارند که در معرض میدان‌ الکتروستاتیکی جابه‌جا خواهند شد. فیزیک‌دان‌ها این به اصطلاح گیتینگ‌های الکتروستاتیکی را به کار می‌گیرند تا ساختار الکترونی و خواص ترابردی مواد را توصیف کنند. واگنر و دیگران با استفاده از یک نقطه کوانتومی به عنوان حسگری برای پتانسیل الکتروستاتیکی، این روش را در جهت «معکوس» پیش بردند. آن‌ها راس میکروسکوپِ نیرویی را به یک مولکول منتهی کردند (همان‌طور که در شکل 1 دیده می‌شود)، که مانند یک نقطه کوانتومی رفتار می‌کند و ترازهای انرژی تیزی دارد که از برهم‌کنش ضعیف با سایر قسمت‌های راس ناشی می‌شود. ایده کلیدی برای این رهیافت در این است که ترازهای انرژی نقطه‌های کوانتومی مولکولی به وسیله پتانسیل الکتروستاتیکی مولکول هدف یا اتم قرار گرفته در سطح نمونه جابه‌جا شده‌اند.

تصویربرداری میکروسکوپ نقطه‌ای کوانتومی، تصاویری با ضبط اثرات جابه‌جایی ترازهای الکتروستاتیکی که به نمونه القا شده ایجاد می‌کند. این جابه‌جایی‌ در ترازهای انرژی نقطه کوانتومی به طور مستقیم بر روی احتمال اینکه یک الکترون از راس به نقطه کوانتومی جذب شده بر روی راس تونل بزند و یا برعکس آن اثر می‌گذارد. این اتفاق‌های شارژ و تخلیه شده، «مشاهده‌پذیر» کلیدی تجربی هستند و به عنوان قله‌های تیزی در منحنی (V)Δf دیده می‌شوند. واگنر و همکارانش با داشتن تعداد زیادی از طیف‌های (V)Δf در امتداد یک تک مولکول یا تک اتم می‌توانند این اتفاق‌های شارژ (تخلیه) شدن را تشخصیص بدهند، و با استفاده از آن پتانسیل الکتروستاتیکی الکترون تونل‌زده شده را بیابند. به این ترتیب این تیم تحقیقاتی این امکان را دارند تا نقشه‌های سه بعدی از پتانسیل الکتروستاتیکی متناظر با تک اتم‌ها و مولکول‌ها با حساسیت به شدت بالایی ایجاد کنند.

به‌کارگیری گیتینگ الکتروستاتیکی در واقع روش جدیدی در میکروسکوپی پروبی روبشی نیست، و روش بسیار شناخته‌شده‌ای است که میکروسکوپی روبشی گیت نام دارد [10]. با این وجود تیم واگنر رهیافت خاصی از آن را معرفی کرد، و یکپارچگی یکدست آن با وضوح فوق‌بالا NC-AFM، بسیار جدید است و پتانسیل تحریک شده خاصی دارد.

این روش میکروسکوپی، امکان‌های شگفت‌آور جدیدی برای ترکیب‌کردن میکروسکوپی نقطه‌ای کوانتومی با مکان‌یابی تک اتم یا تک‌مولکول فراهم می‌آورد که در آن یک پروب روبشی برای ایجاد مولفه به مولفه نانو ساختارها استفاده می‌شود. این فن‌آوری در سطح اتمی که با نقشه‌برداری به شدت حساس به نیرو تقویت شده به محققان این امکان را می‌دهد تا پتانسیل‌های الکتروستاتیکی سفارشی را ایجاد کنند که زمینه پدیده‌های فیزیکی مانند پراکندگی الکترون را فراهم آورند.