The authors have no acknowledgements.

<ol>
	<li>Barth, J. V., Costantini, G., Kern, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+atomic+and+molecular+nanostructures+at+surfaces.">Engineering atomic and molecular nanostructures at surfaces.</a> Nature. 437, 671-679 (2005).</li><li>Otero, R., Rosei, F., Besenbacher, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+tunneling+microscopy+manipulation+of+complex+organic+molecules+on+solid+surfaces.">Scanning tunneling microscopy manipulation of complex organic molecules on solid surfaces.</a> Annu. Rev. Phys. Chem. 57, 497-525 (2006).</li><li>Urgel, J. I., Ecija, D., Auw&#228;rter, W., Barth, J. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+Manipulation+of+Gadolinium+Coordinated+Supramolecules+by+Low-Temperature+Scanning+Tunneling+Microscopy.">Controlled Manipulation of Gadolinium Coordinated Supramolecules by Low-Temperature Scanning Tunneling Microscopy.</a> Nano Lett. 14, 1369-1373 (2014).</li><li>Fournier, N., Wagner, C., Weiss, C., Temirov, R., Tautz, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Force-controlled+lifting+of+molecular+wires.">Force-controlled lifting of molecular wires.</a> Phys. Rev. B. 84, 035435 (2011).</li><li>Wagner, C., Fournier, N., Tautz, F. S., Temirov, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+the+Binding+Energies+of+the+Organic-Metal+Perylene-Tetracarboxylic-Dianhydride/Au(111)+Bonds+by+Molecular+Manipulation+Using+an+Atomic+Force+Microscope.">Measurement of the Binding Energies of the Organic-Metal Perylene-Tetracarboxylic-Dianhydride/Au(111) Bonds by Molecular Manipulation Using an Atomic Force Microscope.</a> Phys. Rev. Lett. 109 (7), 076102 (2012).</li><li>Wagner, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-additivity+of+molecule-surface+van+der+Waals+potentials+from+force+measurements.">Non-additivity of molecule-surface van der Waals potentials from force measurements.</a> Nat. Commun. 5, 5568 (2014).</li><li>Green, M. F. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patterning+a+hydrogen-bonded+molecular+monolayer+with+a+hand-controlled+scanning+probe+microscope.">Patterning a hydrogen-bonded molecular monolayer with a hand-controlled scanning probe microscope.</a> Beilstein Journal of Nanotechnology. 5, 1926-1932 (2014).</li><li>Leinen, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virtual+reality+visual+feedback+for+hand-controlled+scanning+probe+microscopy+manipulation+of+single+molecules.">Virtual reality visual feedback for hand-controlled scanning probe microscopy manipulation of single molecules.</a> Beilstein J. Nanotechnol. 6, 2148-2153 (2015).</li><li>Wagner, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+Quantum+Dot+Microscopy.">Scanning Quantum Dot Microscopy.</a> Phys. Rev. Lett. 115 (2), 026101 (2015).</li><li>Mura, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+and+theoretical+analysis+of+H-bonded+supramolecular+assemblies+of+PTCDA+molecules.">Experimental and theoretical analysis of H-bonded supramolecular assemblies of PTCDA molecules.</a> Phys. Rev. B. 81 (19), 195412 (2010).</li><li>Besocke, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+easily+operable+scanning+tunneling+microscope.">An easily operable scanning tunneling microscope.</a> Surf. Sci. Lett. (1-2), 145-153 (1987).</li><li>Giessibl, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+atomic+force+microscopy.">Advances in atomic force microscopy.</a> Rev. Mod. Phys. 75 (3), 949-983 (2003).</li><li>Albrecht, T. R., Gru&#776;tter, P., Horne, D., Rugar, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frequency+modulation+detection+using+high-Q+cantilevers+for+enhanced+force+microscope+sensitivity.">Frequency modulation detection using high-Q cantilevers for enhanced force microscope sensitivity.</a> J. Appl. Phys. 69 (2), 668-673 (1991).</li><li>Temirov, R., Lassise, A., Anders, F. B., Tautz, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kondo+effect+by+controlled+cleavage+of+a+single-molecule+contact.">Kondo effect by controlled cleavage of a single-molecule contact.</a> Nanotechnology. 19 (6), 065401 (2008).</li><li>Gl&#246;ckler, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+ordered+structures+and+submolecular+scanning+tunnelling+microscopy+contrast+of+PTCDA+and+DM-PBDCI+monolayers+on+Ag(111)+and+Ag(110).">Highly ordered structures and submolecular scanning tunnelling microscopy contrast of PTCDA and DM-PBDCI monolayers on Ag(111) and Ag(110).</a> Surf. Sci. 405 (1), 1-20 (1998).</li><li>Simon, G. H., Heyde, M., Rust, H. -. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recipes+for+cantilever+parameter+determination+in+dynamic+force+spectroscopy:+spring+constant+and+amplitude.">Recipes for cantilever parameter determination in dynamic force spectroscopy: spring constant and amplitude.</a> Nanotechnology. 18 (25), 255503 (2007).</li><li>Rohlfing, M., Temirov, R., Tautz, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adsorption+structure+and+scanning+tunneling+data+of+a+prototype+organic-inorganic+interface+PTCDA+on+Ag+(111).">Adsorption structure and scanning tunneling data of a prototype organic-inorganic interface PTCDA on Ag (111).</a> Phys. Rev. B. 76 (11), 115421 (2007).</li><li>Guthold, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+Manipulation+of+Molecular+Samples+with+the+nanoManipulator.">Controlled Manipulation of Molecular Samples with the nanoManipulator.</a> IEEE/ASME Trans. Mechatronics. 5 (2), 189-198 (2000).</li></ol>

The authors have nothing to disclose and no competing financial interests.

他のSPMベースの方法と同様に、この論文に記載の分子操作実験はまた、SPMチップの特性にある程度依存しています。 （完全に制御することはできません）先端頂点構造体は、先端分子結合の強さを決定します。したがって、チップ分子接触の強度が大幅に異なる場合があり、従って、時には低すぎるかもしれません。したがって、プロトコル内で、我々は、チップの品質と先端治療手順のい...

低温非接触原子間力/走査型トンネル顕微鏡（以下でLT NC-AFM / STMは、単にSPMと呼ばれる）個々の原子または分子1のアトミック正確な操作のための最適なツールです- 3。 SPMベースの操作は、一般的に2次元に限定し、突然、多くの場合、確率的操作イベント（ジャンプ）の一連の構成されています。これは本質的に、プロセスの制御を制限します。 9 -明確に定義された原子の位置に単一の化学結合によって問題の分子を接触させることは、これらの制限4を克服することができるアプローチにつながります。先端の適切な変位によって、すべての3つの次元での分子の移動が可能となるように、その操作全体にわたって接触分子は、SPMチップに接続されています。これは、3D空間内で行われる様々な複雑な操作手順の可能性を作成します。しかし接触する操作がhiであってもよいです先端分子の接触を破裂するのに十分な大きさの力を作成することがあり、その周囲の操作面を有する分子および/または他の分子との相互作用によってndered。したがって、SPMチップの特定の3D軌跡は、または成功した操作イベントが生じない場合があります。質問は、このようにその環境で操作する分子の相互作用は事前よく特徴付けられていない一方で、先端分子結合が制限された強度を有している状況では、操作が正常に完了に至るプロトコルを定義する方法を生じます。 ここでは、この質問は、最も直感的な方法の想像に近づきます。実験者は、単に手7を移動させることにより、SPMチップの変位を制御することができます。これは、仕様の一部を以下に提供される商業的モーションキャプチャシステムにSPMを結合することによって達成されます。 「手制御された操作」（HCM）の利点は、トンでありますすぐに別の操作軌跡を試してみると、彼らの失敗や成功から学ぶために彼実験者の能力。 HCMの設定はワード（「ユーリッヒ」）が銀上ペリレン-3,4,9,10-テトラカルボン酸二無水物（PTCDA）分子（の閉鎖層にステンシルされた証明の原理実験を行うために使用されています111）、HCM 7で、48分子、一つ一つを取り除きます。単分子層10中の分子を結合し、その分子間の水素結合面を切断から分子を持ち上げます。典型的には、本分子間結合の合計強度は、先端部の最も外側の原子と分子が（ 図 1参照）に接触させることにより、PTCDAのカルボン酸酸素原子との間の単一の化学結合の強さを超えています。つまり、先端分子接触の破裂および操作の試みの次の故障につながる可能性があります。実験のタスクはdetermiすることです先端分子の接触に適用される全体の力は、その強度を超えないように、抵抗する分子間結合順次ではなく同時にを破る先端軌道ね。 目標軌道は、原理的にシミュレートすることができるが、システムのサイズおよび複雑さに起因し、必要なシミュレーションは、時間の極端に大量にかかる関与します。それとは対照的に、HCMを使用して40分後に最初の分子を除去することが可能でした。実験の終わりに向かって抽出は、すでに学習手順の有効性を確認し、はるかに少ない時間がかかりました。さらに、HCM法の精度と汎用性は、隣接する位置から抽出された分子は、単層から別の分子の誤除去した後に残された空白を閉じるために使用された逆の操作の行為で証明されました。 モーションキャプチャ手法は、高速かつ直感的でありながら、あります先端軌跡データの生成に制限されています。新しい分子操作プロトコルのさらなる体系的な発展のためには、リアルタイムで先端軌跡データを表示するだけでなく、以前に生成されたデータを分析することができるようすることも同様に重要です。したがって、HCMの設定の機能は、実験者が先端の軌跡は、電流（I）によって増強された3D仮想場面にプロットされたデータと周波数シフトを見ることができる仮想現実ゴーグルを追加することによって、実質的に増強される（Δfの）値を測定しSPMによってリアルタイムで8（下記参照）。それに加えて、仮想現実シーンの視覚スケール基準となる操作分子のモデルを示します。したがって、仮想現実インタフェースによってほめHCMの設定は、操作軌跡空間の体系的なマッピングと有望な操作プロトコルの連続した微細化に適しています。システムはまた、dとの知識移転を促進することに加えてifferent実験。以下の段落では、セットアップや操作実験に関連するその仕様のいくつかの説明を与えます。 実験が準備室と分析室からなる商業SPM 1×10 -10ミリバールのベース圧力で、超高真空（UHV）で行われます。準備室が装備されている：サンプルスパッタ法を用いるのAr +ソース、マニピュレータを介して試料の移動は、低エネルギー電子線回折（LEED）、PTCDA粉末を含むカスタマイズされたクヌーセンセル（Kセル）（加熱及び試料の冷却を可能にします）昇華により精製しました。液体ヘリウム浴クライオスタット（5 L、72時間）、音叉センサ12（装備Besocke 11カブトムシ型SPMは、12 Lの容積を持つLN 2槽クライオスタットと46時間の保持時間：分析室が装備されていますTFS））STM動作のために（電気的に接続さPTIRチップと水晶音叉からなります切断及び集束イオンビーム（FIB）（ 図 2）により先鋭化されています。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig2.jpg" /> 図2. 音叉センサーが付属PTIR先端を有する市販の音叉センサの（a）の画像。 （b）は FIBで切断PTIR先端頂点のSEM像。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> AFMは、TFSは、ディザピエゾとの共振（0≈31080ヘルツF）で励起され、周波数変調（FM）モード13で運転されます。振動音叉の圧電信号はTFSの振動の振幅を一定に保持し、Iの変化を追跡する位相ロックループ（PLL）によって増幅され、使用されTSの共振周波数、Δfの= F - f 0は 、先端に作用する力の勾配に由来します。 X = 15、Y = 図 3に示すように、SPM先端位置は電圧（UのX、U、Y、Uは、z）のxのセットに適用される、y軸、z軸の圧電素子（5 Kにおける圧電定数によって制御されます16、Z = 6Å/ V）。 U xは 、U、Y、U、Z -voltages（20ビット分解能で±10 V）はSPM電子出力で生成されます。それらは、さらに±200 Vの最大出力電圧を有する高電圧（HV）増幅器によって増幅されます<img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig3.jpg" /> 図 HCMセットアップの 3回路図 （追跡対象物）の位置とは、モーションキャプチャシステム（MCS）の2つの赤外線カメラによって追跡され、その表面上にインストールされた複数の（赤外線）IR源を有しています。そうTipControlftware電圧の集合（V XとV yは、V z）の電圧が加算される（U Xを生成する（RVS）のMCSから座標（x、y、z）が取得し、リモート電源に渡し、U、Y、Uは、Z）SPM先端位置を制御するためのSPMの電子機器によって生成しました。追加された電圧は、高電圧（HV）増幅器を通過し、さらにSPMチップのピエゾ位置決めシステムに適用されます。 SPMのフィードバック（FB）ループが開いている時に、セットアップは、先端の位置決めの手動制御を可能にします。 （X、Y、Z）の先端の位置ならびにI（x、y、z）とΔfの（x、y、z）は、操作者によって見られる3次元仮想シーンでプロットVRinterfaceソフトウェアに渡されます。ヘッドマウントディスプレイ（HMD）を身に着けている。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> SPMチップとの間に流れるトンネル電流表面は1×10 3〜1×10 9 V / A（ゲインで帯域幅1×10 9 V / Aが1 kHzです）の範囲で可変利得を有するトランスインピーダンス増幅器によって測定されます。増幅器の出力は定電流走査モードにおける表面上の先端の高さを調節するためにSTMフィードバック（FB）ループに供給されます。 （TFS発振がオフになって）接合の安定性は、1-3午後です。 TFSの圧電発振信号は、2段階で増幅された：LN 2のシールド（1×10 8 V / A、帯域幅20kHzのゲイン）、および1からの可変利得（2）外部電圧増幅器に固定された（1）プリアンプ1×10 4〜5×10と1MHzの帯域幅。 ディスプレイ（HMD）に取り付けモーションキャプチャシステム（MCS）、遠隔制御可能なマルチチャンネル電圧源（RVS）、加算増幅器と仮想現実ヘッド：HCM実験のために、SPMのセットアップがで拡張されています。 summi除いてリストされているデバイスのすべてngの増幅は、商業的に得ました。 MSCは、100ヘルツの速度で、空間的な変位のミリメートルの分解能を可能にする赤外線（IR）マーカー追跡システムです。システムは、2つの赤外線カメラで構成され、追跡可能なオブジェクト（TO）と制御ソフトウェア。 MCSソフトウェアは、二つのカメラによって得られたその画像を解析することにより、3次元空間内のx軸、y軸、z座標を取得します。 MCSは、個別のソフトウェアプログラムのTOの座標の使用を可能にするプログラミング・ライブラリを提供します。 TOの座標（x TO、y に 、TO z）は、カスタム開発のソフトウェアプログラム」TipControl」に渡されます。4は、グラフィカル・ユーザー・インターフェースのスクリーンショットを示しています。ソフトウェアは、ウィンドウ内の「開始」ボタンによって起動されます。 、V yを- - 、RVSでV のz -voltages（電圧範囲±10 V 16で活性化した後（τ= 0）ソフトウェアは、すべてのV xを設定しますビット分解能、電圧ステップ当たり50秒の待ち時間）は、以下の式に従って<img alt="式（1）" src="/files/ftp_upload/54506/54506eq1.jpg" /> など 、ここで、cのX、CのY、C zは SPMチップの1オングストロームの変位にTOの変位5cmの変換要因です。因子PがX（t）は、p個のY（t）は、p個のZ（t）はx軸の状態によって定義される値を有し、y軸、ソフトウェアウィンドウのZチェックボックス。ボックスは、対応するP（t）がチェックされている場合、「一時停止」ボタンがソフトウェアウィンドウに押された時点で0に設定されている1に全てのP（t）が設定されています。それは、オペレータが一時的に先端の位置を「凍結」することができます。ソフトウェアのウィンドウで「すべてをリセット」ボタンを押すと、V xを設定します- 、V yは - 、V zは 、SPMソフトウェアによって定義され、その初期位置に先端を返すゼロに-voltages。ソフトウェアのウィンドウカリフォルニア州テキストフィールド」RVSを手動でコマンド &quot;<html> 、V yを- - n個のV xのいずれかを設定するために使用され、V yを- - 、V zは ±10 VのV xの許容範囲内の任意の値に-voltages、V zが追加されRVSによって生成-voltages uのxに- 、U Y - SPMエレクトロニクスの、uのzの -output電圧信号加算増幅器（ゲイン1、帯域幅は50kHz、出力範囲±10 V）を介して。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig4.jpg" /> インターフェース画面の図4のスクリーンショット。二つの指標はMCSとRVSシステムとの接続状態を示します。チェックボックスが選択された空間の軸に沿って手でコントロールを活性化するために使用されています。ボタン「スタート」は、図3に示すスキームに従って、MCS、TipControlとRVS間のデータフローを開始します。ボタン&quot;一時停止&quot;データフローを停止します。ボタン「すべてリセット」はゼロに電圧すべてRVSを設定します。= &quot;https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig4large.jpg&quot;ターゲット= &quot;_空白&quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 実験データの可視化のために（先端の軌跡、I、Δfの）ヘッドマウントディスプレイ（HMD）が使用されます。 HMDは、立体視（ - それぞれの目に対して1つの半分、75 Hzで1920×1,080ピクセル分割HDディスプレイ）を提供します。専用のIRカメラは、HMDの表面に固定されたIR-LEDを用いた3次元空間におけるHMDの位置及び姿勢を追跡します。 HMD追跡システムは、オペレータが自分の頭のターンまたは単に自分の体を動かすことにより、3次元仮想現実シーンの内部ビューを変更することができます。 カスタム作成ソフトウェア「VRinterface」はSPMとMCSの両方からデータを収集し、OpenGLを使用して、3Dシーンでそれをレンダリングし、HMDのソフトウェア開発キット（SDK）の助けを借りてHMDに表示されます。 VRinterfaceから直接チップの実際のX、Y、Z座標を取得します先端ソフトウェア（数ミリ秒の待ち時間）IおよびΔfの信号は、SPMエレクトロニクス（≈250ミリ秒の待ち時間）の出力から直接読み取られている。HCM中にHMDを身に着けているオペレータによって見られるように、図 5は、3D仮想シーンのスクリーンショットを示しています。 3D仮想場面の内側先端頂点は白い球としてレンダリングされます。記録された先端の軌跡の着色は、いずれかのログ（I（X、Y、Z））またはΔfを（x、y、z）の値を反映しています。ログ（I（X、Y、Z））またはΔfを切り替える（X、Y、Z）、色モードがボタンを押すことによって行われます。別のボタンは、実験的な先端の軌跡データの記録（および表示）を開始します。もう一度押すとボタンを押すと録音を停止します。仮想場面も操作中に視覚的な補助として使用される静的PTCDA分子を示しています。オペレータは、キーボード上のボタンを使用して、表面上の実際の分子の向きに合わせて手動でその向きを揃えます。 注意：ヘッドトンので、HMDのラックは、またTOの位置を追跡するために、IR光を使用するので、それはMCSに干渉する可能性、IR-LEDに依存しています。したがって、TOは、MCSによって認識独特の形状を有していなければなりません。これは、MCSがTOとHMDのIR-LEDから来たものから来る信号を区別するのに役立ちます。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54506/54506fig5.jpg" /> 3D仮想場面の 図5 のS creenshotは、HCMの間、HMDでオペレータに表示。白い球のセットは、モデルのAg（111）表面を形成します。モデル表面の向きは必ずしもサンプルの向きと一致しない場合があります。 PTCDA分子のモデルは、モデル表面の上方に配置されています。 Cは、O、PTCDAのH原子は、それぞれ、黒、赤と白で示されています。モデル分子の便宜の方位角配向のために選択された実際の分子の向きに合わせて調整することができます操作のため。先端位置は、最も外側の先端頂点の原子を表す単一の白い球でマークされています。リアルタイムI（x、y、z）とΔfの（x、y、z）のデータがチップの隣に配置されたバーインジケータとして表示されます。以前に記録されただけでなく、現在実行中の操作は、その色のいずれかを表す（I（x、y、z）を）ログ3D軌跡又は軌跡の対応する位置で測定されたΔf（x、y、z）の値として表示されています。図は、ログ（I（X、Y、Z））信号で着色された軌跡を示します。色のコントラストは、ボタンを押すことで、ログ（I（X、Y、Z））と、Δfの（x、y、z）のモードを切り替えることができます。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54506/54506fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>LN2</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>caution: cryogenic liquid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LHe</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>caution: cryogenic liquid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PTCDA</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>caution: irritating substance</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Knudsen cell (K-cell)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>custom</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ErLEED</td>
			<td>Specs</td>
			<td></td>
			<td>used with power supply ErLEED 1000A</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>combient LT NC-AFM/STM</td>
			<td>Createc</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>qPlus sensor</td>
			<td>Createc</td>
			<td></td>
			<td>TFS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>preamplifier&#160;</td>
			<td>Createc</td>
			<td></td>
			<td>amplifier for tuning forc signal fixed to LN2 shield (stage 1)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Low-Noise Voltage Preamplifier</td>
			<td>Standford Research System</td>
			<td>SR560</td>
			<td>external amplifier for tuning forc signal (stage 2)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Variable Gain Low Noise Current Amplifier</td>
			<td>Femto</td>
			<td>DLPCA-200</td>
			<td>amplifier for tunneling current</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bonita</td>
			<td>Vicon</td>
			<td>B10, SN: MXBN-0B10-3658</td>
			<td>MCS IR camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Apex Interaction Device</td>
			<td>Vicon</td>
			<td>SN: AP0062</td>
			<td>MCS trackable object (TO)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MX Calibration Wand</td>
			<td>Vicon</td>
			<td></td>
			<td>MCS calibration object</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tracker</td>
			<td>Vicon</td>
			<td></td>
			<td>MCS software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BS series voltage supply</td>
			<td>stahl-electronics</td>
			<td>BS 1-4</td>
			<td>RVS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>summing amplifier&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>custom, gain 1, based on operational amplifier TL072</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oculus Rrift Development Kit 2</td>
			<td>Oculus VR</td>
			<td></td>
			<td>HMD</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TipControl</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>custom-written software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VRinterface</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>custom-written software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

hand controlled manipulation of single molecules via a scanning probe microscope with a 3d virtual reality interface

将来のナノスケール技術の機能ビルディングブロックのような有機分子を考慮すると、ボトムアップアプローチでこのようなビルディング・ブロックを配置し、組み立てる方法の質問はまだ開いています。走査型プローブ顕微鏡（SPM）は、最適なツールである可能性があります。しかし、SPMベースの操作は、最近まで2次元（2D）に制限されていました。明確に定義された位置で分子にSPMチップをバインドすると、3D空間で制御された操作の機会を開きます。残念ながら、3D操作は、コンピュータ上のSPMのデータを表示および生成の典型的な2D-パラダイムとの大部分は互換性がありません。直感的かつ効率的な操作のために、我々はそのためのカップル低温非接触原子間力/走査型トンネル顕微鏡（LT NC-AFM / STM）モーションキャプチャシステムと完全に没入型仮想現実ゴーグルに。このセットアップは、SPMチップは、実験者の手の動きに応じて移動させた「手制御された操作」（HCM）、ワットを許可します先端の軌跡だけでなく、3Dで可視化されるSPM接合の応答をhile。 HCMは、潜在的に表面上の分子間に働くナノスケールの相互作用の優れた基本的な理解につながる、複雑な操作プロトコルの開発に道を開きます。ここでは、セットアップと仮想現実環境内で成功した手で制御された分子操作を達成するために必要な手順について説明します。

注：この部分は7,8で発表された研究を示しています。 層のうちPTCDA / Agの（111）リフティングの問題にHCMを適用すると、私たちは順番に個々の分子（ 図 9）を除去することによってパターンを書き込むことができました。合計で48の分子は、分子は、操作プロセス中にそのまま留まること?...

Watch this Scientific Journal Video about Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface at JoVE.com

Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

We demonstrate the precise manipulation of individual organic molecules on a metal surface with the tip of a scanning probe microscope driven in 3D by the experimenter's hand using a motion capture system and fully immersive virtual reality goggles.

3Dバーチャルリアリティのインターフェイスを持つ走査型プローブ顕微鏡を介した単一分子のハンド制御された操作

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building ...

hand-controlled-manipulation-single-molecules-via-scanning-probe

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

8.9K ビュー.  Forschungszentrum Jülich. We demonstrate the precise manipulation of individual organic molecules on a metal surface with the tip of a scanning probe microscope driven in 3D by the experimenter's hand using a motion capture system and fully immersive virtual reality goggles.

ビデオ: Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses triangulation between matching points in two views of the same scene at different angles to compute depth.&#160;However, unlike a stereo-based method, DFP uses a digital video projector to replace one of the cameras1. The projector rapidly projects a known sinusoidal pattern onto the subject, and the surface of the subject distorts these patterns in the camera&#8217;s field of view. Three distorted patterns (fringe images) from the camera can be used to compute the depth using triangulation.
Unlike other 3D measurement methods, DFP techniques lead to systems that tend to be faster, lower in equipment cost, more flexible, and easier to develop.&#160;DFP systems can also achieve the same measurement resolution as the camera.&#160;For this reason, DFP and other digital structured light techniques have recently been the focus of intense research (as summarized in1-5). Taking advantage of DFP, the graphics processing unit, and optimized algorithms, we have developed a system capable of 30&#160;Hz 3D video data acquisition, reconstruction, and display for over 300,000 measurement points per frame6,7.&#160;Binary defocusing DFP methods can achieve even greater speeds8.
Diverse applications can benefit from DFP techniques. Our collaborators have used our systems for facial function analysis9, facial animation10, cardiac mechanics studies11, and fluid surface measurements, but many other potential applications exist.&#160;This video will teach the fundamentals of DFP techniques and illustrate the design and operation of a binary defocusing DFP system.

This video describes the fundamentals of digital fringe projection techniques, which provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;It also demonstrates the design and operation of a high-speed binary defocusing system based on these techniques.

デジタル干渉縞投影技術と高分解能、高速、三次元ビデオ画像

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

工学

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular organelles 2,3, as well as for high spatial and temporal resolution readout of their position relative to the center of the trap. The system described herein has one such "traditional" trap operating at 980 nm. It additionally provides a second optical trapping system that uses a commercially available holographic package to simultaneously create and manipulate complex trapping patterns in the field of view of the microscope 4,5 at a wavelength of 1,064 nm. The combination of the two systems allows for the manipulation of multiple refractive objects at the same time while simultaneously conducting high speed and high resolution measurements of motion and force production at nanometer and piconewton scale.

The system described herein employs a traditional optical trap as well as an independent holographic optical trapping line, capable of creating and manipulating multiple traps. This allows for the creation of complex geometric arrangements of refractive particles while also permitting simultaneous high-speed, high-resolution measurements of the activity of biological enzymes.

従来のホログラフィック光トラッピング機能を備えた高分解能顕微鏡の構成

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the electronic quantum structure of small systems - including individual atomic dopants in semiconductors. Here we present a capacitance-based method, known as Subsurface Charge Accumulation (SCA) imaging, which is capable of resolving single-electron charging while achieving sufficient spatial resolution to image individual atomic dopants. The use of a capacitance technique enables observation of subsurface features, such as dopants buried many nanometers beneath the surface of a semiconductor material1,2,3. In principle, this technique can be applied to any system to resolve electron motion below an insulating surface.
As in other electric-field-sensitive scanned-probe techniques4, the lateral spatial resolution of the measurement depends in part on the radius of curvature of the probe tip. Using tips with a small radius of curvature can enable spatial resolution of a few tens of nanometers. This fine spatial resolution allows investigations of small numbers (down to one) of subsurface dopants1,2. The charge resolution depends greatly on the sensitivity of the charge detection circuitry; using high electron mobility transistors (HEMT) in such circuits at cryogenic temperatures enables a sensitivity of approximately 0.01 electrons/Hz&frac12; at 0.3 K 5.

Scanning-probe single-electron capacitance spectroscopy facilitates the study of single-electron motion in localized subsurface regions. A sensitive charge-detection circuit is incorporated into a cryogenic scanning probe microscope to investigate small systems of dopant atoms beneath the surface of semiconductor samples.

走査プローブ単電子容量分光

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

Single Plane Illumination Module and Micro-capillary Approach for a Wide-field Microscope

A module for light sheet or single plane illumination microscopy (SPIM) is described which is easily adapted to an inverted wide-field microscope and optimized for 3-dimensional cell cultures, e.g., multi-cellular tumor spheroids (MCTS). The SPIM excitation module shapes and deflects the light such that the sample is illuminated by a light sheet perpendicular to the detection path of the microscope. The system is characterized by use of a rectangular capillary for holding (and in an advanced version also by a micro-capillary approach for rotating) the samples, by synchronous adjustment of the illuminating light sheet and the objective lens used for fluorescence detection as well as by adaptation of a microfluidic system for application of fluorescent dyes, pharmaceutical agents or drugs in small quantities. A protocol for working with this system is given, and some technical details are reported. Representative results include (1) measurements of the uptake of a cytostatic drug (doxorubicin) and its partial conversion to a degradation product, (2) redox measurements by use of a genetically encoded glutathione sensor upon addition of an oxidizing agent, and (3) initiation and labeling of cell necrosis upon inhibition of the mitochondrial respiratory chain. Differences and advantages of the present SPIM module in comparison with existing systems are discussed.

A module for single plane illumination microscopy (SPIM) is described which is easily adapted to an inverted wide-field microscope and optimized for 3-dimensional cell cultures. The sample is located within a rectangular capillary, and via a microfluidic system fluorescent dyes, pharmaceutical agents or drugs can be applied in small quantities.

単一平面照明モジュールと広視野顕微鏡用マイクロキャピラリーアプローチ

A module for light sheet or single plane illumination microscopy (SPIM) is described which is easily adapted to an inverted wide-field microscope and ...

Energy Dispersive X-ray Tomography for 3D Elemental Mapping of Individual Nanoparticles

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial resolution, and is even capable of providing atomically resolved elemental maps. In this technique, a highly focused electron beam is incident upon a thin sample and the energy of emitted X-rays is measured in order to determine the atomic species of material within the beam path. This elementally sensitive spectroscopy technique can be extended to three dimensional tomographic imaging by acquiring multiple spectrum images with the sample tilted along an axis perpendicular to the electron beam direction.
Elemental distributions within single nanoparticles are often important for determining their optical, catalytic and magnetic properties. Techniques such as X-ray tomography and slice and view energy dispersive X-ray mapping in the scanning electron microscope provide elementally sensitive three dimensional imaging but are typically limited to spatial resolutions of &gt; 20 nm. Atom probe tomography provides near atomic resolution but preparing nanoparticle samples for atom probe analysis is often challenging. Thus, elementally sensitive techniques applied within the scanning transmission electron microscope are uniquely placed to study elemental distributions within nanoparticles of dimensions 10-100 nm.
Here, energy dispersive X-ray (EDX) spectroscopy within the STEM is applied to investigate the distribution of elements in single AgAu nanoparticles. The surface segregation of both Ag and Au, at different nanoparticle compositions, has been observed.

The use of energy dispersive X-ray tomography in the scanning transmission electron microscope to characterize elemental distributions within single nanoparticles in three dimensions is described.

個々のナノ粒子の3次元元素マッピングのためのエネルギー分散型X線トモグラフィー

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial ...

Comprehensive Characterization of Extended Defects in Semiconductor Materials by a Scanning Electron Microscope

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications of semiconductor materials. However, it is still under debate how the defect structure determines the band structure, and therefore, the recombination behavior of electron-hole pairs responsible for the optical and electrical properties of the extended defects. The present paper is a survey of procedures for the spatially resolved investigation of structural and of physical properties of extended defects in semiconductor materials with a scanning electron microscope (SEM). Representative examples are given for crystalline silicon. The luminescence behavior of extended defects can be investigated by cathodoluminescence (CL) measurements. They are particularly valuable because spectrally and spatially resolved information can be obtained simultaneously. For silicon, with an indirect electronic band structure, CL measurements should be carried out at low temperatures down to 5 K due to the low fraction of radiative recombination processes in comparison to non-radiative transitions at room temperature. For the study of the electrical properties of extended defects, the electron beam induced current (EBIC) technique can be applied. The EBIC image reflects the local distribution of defects due to the increased charge-carrier recombination in their vicinity. The procedure for EBIC investigations is described for measurements at room temperature and at low temperatures. Internal strain fields arising from extended defects can be determined quantitatively by cross-correlation electron backscatter diffraction (ccEBSD). This method is challenging because of the necessary preparation of the sample surface and because of the quality of the diffraction patterns which are recorded during the mapping of the sample. The spatial resolution of the three experimental techniques is compared.

The optical, electrical, and structural properties of dislocations and of grain boundaries in semiconductor materials can be determined by experiments performed in a scanning electron microscope. Electron microscopy has been used to investigate cathodoluminescence, electron beam induced current, and diffraction of backscattered electrons.

走査型電子顕微鏡による半導体材料における拡張欠陥の総合的な特性評価

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications ...

Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact

Local, deterministic manipulation of individual vortices in type 2 superconductors is challenging. The ability to control the position of individual vortices is necessary in order to study how vortices interact with each other, with the lattice, and with other magnetic objects. Here, we present a protocol for vortex manipulation in thin superconducting films by local contact, without applying current or magnetic field. Vortices are imaged using a scanning superconducting quantum interference device (SQUID), and vertical stress is applied to the sample by pushing the tip of a silicon chip into the sample, using a piezoelectric element. Vortices are moved by tapping the sample or sweeping it with the silicon tip. Our method allows for effective manipulation of individual vortices, without damaging the film or affecting its topography. We demonstrate how vortices were relocated to distances of up to 0.8 mm. The vortices remained stable at their new location up to five days. With this method, we can control vortices and move them to form complex configurations. This technique for vortex manipulation could also be implemented in applications such as vortex based logic devices.

We present a protocol for manipulation of individual vortices in thin superconducting films, using local mechanical contact. The method does not include applying current, magnetic field or additional fabrication steps.

現地連絡先によって渦操作のSQUID研究をスキャンします

Local, deterministic manipulation of individual vortices in type 2 superconductors is challenging. The ability to control the position of individual ...

All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics

The miniaturization of semiconductor devices to scales where small numbers of dopants can control device properties requires the development of new techniques capable of characterizing their dynamics. Investigating single dopants requires sub-nanometer spatial resolution, which motivates the use of scanning tunneling microscopy (STM). However, conventional STM is limited to millisecond temporal resolution. Several methods have been developed to overcome this shortcoming, including all-electronic time-resolved STM, which is used in this study to examine dopant dynamics in silicon with nanosecond resolution. The methods presented here are widely accessible and allow for local measurement of a wide variety of dynamics at the atomic scale. A novel time-resolved scanning tunneling spectroscopy technique is presented and used to efficiently search for dynamics.

We demonstrate an all-electronic method to observe nanosecond-resolved charge dynamics of dopant atoms in silicon with a scanning tunneling microscope.

すべて電子ナノ秒分解走査型トンネル顕微鏡: 単一ドーパントの電荷ダイナミクスの調査を促進します。

The miniaturization of semiconductor devices to scales where small numbers of dopants can control device properties requires the development of new ...

Single-Digit Nanometer Electron-Beam Lithography with an Aberration-Corrected Scanning Transmission Electron Microscope

We demonstrate extension of electron-beam lithography using conventional resists and pattern transfer processes to single-digit nanometer dimensions by employing an aberration-corrected scanning transmission electron microscope as the exposure tool. Here, we present results of single-digit nanometer patterning of two widely used electron-beam resists: poly (methyl methacrylate) and hydrogen silsesquioxane. The method achieves sub-5 nanometer features in poly (methyl methacrylate) and sub-10 nanometer resolution in hydrogen silsesquioxane. High-fidelity transfer of these patterns into target materials of choice can be performed using metal lift-off, plasma etch, and resist infiltration with organometallics.

We use an aberration-corrected scanning transmission electron microscope to define single-digit nanometer patterns in two widely-used electron-beam resists: poly (methyl methacrylate) and hydrogen silsesquioxane. Resist patterns can be replicated in target materials of choice with single-digit nanometer fidelity using liftoff, plasma etching, and resist infiltration by organometallics.

収差補正走査透過電子顕微鏡と 1 桁台のナノメートルの電子ビーム露光

We demonstrate extension of electron-beam lithography using conventional resists and pattern transfer processes to single-digit nanometer dimensions by ...

Visualizing Uniaxial-strain Manipulation of Antiferromagnetic Domains in Fe1+YTe Using a Spin-polarized Scanning Tunneling Microscope

The quest to understand correlated electronic systems has pushed the frontiers of experimental measurements toward the development of new experimental techniques and methodologies. Here we use a novel home-built uniaxial-strain device integrated into our variable temperature scanning tunneling microscope that enables us to controllably manipulate in-plane uniaxial strain in samples and probe their electronic response at the atomic scale. Using scanning tunneling microscopy (STM) with spin-polarization techniques, we visualize antiferromagnetic (AFM) domains and their atomic structure in Fe1+yTe samples, the parent compound of iron-based superconductors, and demonstrate how these domains respond to applied uniaxial strain. We observe the bidirectional AFM domains in the unstrained sample, with an average domain size of ~50-150 nm, to transition into a single unidirectional domain under applied uniaxial strain. The findings presented here open a new direction to utilize a valuable tuning parameter in STM, as well as other spectroscopic techniques, both for tuning the electronic properties as for inducing symmetry breaking in quantum material systems.

Visualizing Uniaxial-strain Manipulation of Antiferromagnetic Domains in Fe1+YTe Using a Spin-polarized Scanning Tunneling Microscope

Using uniaxial strain combined with spin-polarized scanning tunneling microscopy, we visualize and manipulate the antiferromagnetic domain structure of Fe1+yTe, the parent compound of iron-based superconductors.

一軸歪 Fe1 +Yスピン偏極走査トンネル顕微鏡を使用して Te の反強磁性ドメイン操作を可視化

The quest to understand correlated electronic systems has pushed the frontiers of experimental measurements toward the development of new experimental ...