Alcuni ricercatori finanziati dall'UE scoprono una nuova tecnica per misurare gli stati di carica
Alcuni scienziati in Germania, Paesi Bassi e Svizzera hanno misurato con successo gli stati di carica di singoli atomi di oro e argento usando un approccio innovativo alla microscopia a forza atomica (AFM). Le loro scoperte, riportate sulla rivista Science, sono importanti per lo studio di processi tecnologicamente importanti in fisica e chimica ed hanno implicazioni per lo sviluppo dei dispositivi a singolo elettrone. I risultati sono un prodotto del progetto Nanoman ("Controllo, manipolazione e manifattura su scala 1-10nm usando forze ed eccitazioni localizzate"), finanziato con 1,5 Mio EUR nell'ambito dell'area tematica "Nanotecnologie e nano scienze, materiali multifunzionali basati sul sapere e nuovi processi e dispositivi di produzione" del Sesto programma quadro (6° PQ) dell'UE. Secondo lo studio, lo stato di carica è una proprietà importante che condiziona molti processi in fisica e chimica e che può essere sfruttata nei dispositivi a singolo elettrone. "Il fatto di essere in grado di misurarlo con la microscopia AFM ci permette di effettuare queste misurazioni sugli isolanti, che sono materiali tecnologicamente molto utili," ha spiegato il dott. Leo Gross dell'IBM Research a Zurigo, in Svizzera, in una intervista podcast per Science. Oltre a fornire preziose informazioni sui processi catalitici, ha detto il dott. Gross: "Nella fotovoltaica sarebbe bello misurare la distribuzione di carica di un complesso per il trasferimento di carica con precisione atomica." Esperimenti precedenti fatti usando la microscopia elettronica a scansione per effetto tunnel (STM) hanno permesso ai ricercatori di sondare lo stato di carica di singoli atomi, ma l'importante inconveniente in questi esperimenti è rappresentato dal fatto che la STM non funziona con gli isolanti (gli isolanti sono necessari per tenere le cariche separate l'una dall'altra). I risultati di studi condotti usando AFM ad assenza di contatto sono stati promettenti; questa tecnica però applica oscillazioni nella gamma da 10 a 50 angstrom mentre sono necessarie oscillazioni di meno di 1 angstrom per ottenere una risoluzione d'immagine adeguata. I ricercatori hanno combinato la AFM con una tecnica chiamata "microscopia kelvin probe", che comporta l'imaging a temperature criogeniche, e hanno esaminato lo stato di carica di atomi di oro assorbiti da una pellicola molto sottile di cloruro di sodio. "Abbiamo usato una tecnica chiamata a sensore qPlus, che consiste in un diapason molto piccolo, come quelli degli orologi da polso, nel quale una punta dell'asta è fissa mentre l'altra tiene la ghiera," ha spiegato il dott. Gross. L'asta è un cantilever (sostenuta su un solo lato); le aste a cantilever sono ampiamente usate nei sistemi microelettromeccanici; senza trasduttori cantilever, la AFM non sarebbe possibile. "Siamo stati in grado di incorporare questo sensore nel nostro setup STM a bassa temperatura già esistente," ha aggiunto. "Il vantaggio di questo sensore qPlus è che può oscillare ad ampiezze molto piccole perché è un cantilever molto rigido. Siamo quindi stati in grado di registrare e misurare con ampiezze di oscillazione di appena 0,2 angstrom (circa un decimo del diametro di un atomo). Queste piccole ampiezze di oscillazione sono importanti per raggiungere [�] una risoluzione atomica." Gli esperimenti sono stati condotti in condizioni di vuoto ultra alto e a temperature di elio liquido (circa 4,2 Kelvin), condizioni altamente preferite dal sensore qPlus. "Le basse temperature sono necessarie non solo per la stabilità dell'apparato di misurazione, ma anche di tutto il sistema. Il singolo atomo sullo strato isolante non sarebbe stabile a temperatura ambiente," ha spiegato il dott. Gross. I ricercatori hanno scoperto che sia le cariche positive che quelle negative sugli atomi aumentano solo un po' la forza sulla ghiera della AFM. Questo a sua volta crea una forza elettrostatica che non è presente nello stato naturale dell'atomo, è stato quindi possibile per i ricercatori determinare se gli atomi di oro e argento avevano carica positiva, negativa o neutra. Il loro metodo dimostra che la AFM ad assenza di contatto può essere usata per l'imaging di singoli atomi o molecole e che può essere usata per rilevare lo stato di carica di singoli atomi su sottili pellicole isolanti. In un editoriale di accompagnamento, Ernst Meyer e Thilo Glatzel dell'università di Basilea scrivono che "questa nuova tecnica ha importanti conseguenze per il campo dell'elettronica molecolare". Il fatto che i ricercatori siano stati in grado di condurre i loro esperimenti senza collegare con fili elettrici l'oggetto di interesse è stato un grande risultato, dicono; si spera che questo nuovo metodo si possa estendere a molecole o reti molecolari. "Adesso la AFM offre la possibilità di andare su pellicole isolanti più spesse e su grossi isolanti; questo è importante se si vuole esaminare, per esempio, il trasporto in carica in pellicole molecolari planari o singoli dispositivi molecolari o reti molecolari - allora servirebbe una pellicola isolante più spessa dove non ci siano perdite di elettroni attraverso lo strato isolante," ha detto il dott. Gross. I ricercatori hanno in programma di usare la loro tecnica su pellicole isolanti più spesse o su grossi isolanti e di esaminare le molecole o i complessi metallici di molecole usando questo sistema. "Siamo molto interessati alla misurazione del trasporto di cariche e della distribuzione di cariche in queste reti," ha detto il dott. Gross. Si pensa che la tecnica di AFM modificata porterà all'acquisizione di preziose nuove informazioni sulle fonti di energia, l'elettronica molecolare, la fotonica e la catalisi.
Paesi
Svizzera, Germania, Paesi Bassi