Unijni naukowcy opracowali nową technikę pomiaru stanu naładowania
Naukowcom z Holandii, Niemiec i Szwajcarii udało się zmierzyć stan naładowania pojedynczych atomów złota i srebra za pomocą innowacyjnego podejścia do mikroskopii sił atomowych (AMF). Wyniki badań, opublikowane w czasopiśmie Science, mają niebagatelne znaczenie dla ważnych technologicznie procesów w fizyce i chemii oraz mogą być przydatne w opracowaniu urządzeń z elektronem pojedynczym. Ich osiągnięcie stało się możliwe dzięki projektowi Nanoman (Kontrola, manipulacja i produkcja w skali 1-10 nm za pomocą sił zlokalizowanych i wzbudzenia), finansowanemu na kwotę 1,5 mln EUR z tematu "Nanotechnologie i nanonauki, wielofunkcyjne materiały oparte na wiedzy oraz nowe procesy produkcji i urządzenia" Szóstego Programu Ramowego (6PR). Wedle naukowców stan naładowania to ważna cecha, mająca wpływ na wiele procesów fizycznych i chemicznych, którą można wykorzystać w urządzeniach z pojedynczym elektronem. "Użycie AFM do tych pomiarów pozwala nam zmierzyć właściwości izolatorów, które dla technologii są bardzo ważnymi materiałami" - wyjaśnia w wywiadzie internetowym dla Science dr Leo Gross z IBM Research w Zurychu, Szwajcaria. Jak mówi dr Gross, oprócz zyskania wartościowej wiedzy na temat procesów katalitycznych: "W fotowoltaice byłoby dobrze zmierzyć dystrybucję ładunków w układzie przeniesienia ładunku z atomową precyzją." W poprzednich eksperymentach wykorzystanie skaningowej mikroskopii tunelowej (STM) pozwoliło naukowcom wysondować stan naładowania pojedynczych atomów, ale zasadniczą wadą tych doświadczeń był fakt, że STM nie sprawdza się w przypadku izolatorów (potrzebnych do rozdzielenia od siebie poszczególnych ładunków). Wyniki badań korzystających z bezkontaktowej AFM były obiecujące, ale w technice tej stosuje się oscylacje w zakresie 10-50 angstremów, podczas gdy do uzyskania odpowiedniej rozdzielczości obrazu potrzebne są oscylacje bliższe 1 angstremowi. Naukowcy połączyli AFM z techniką zwaną mikroskopią sił z użyciem sondy Kelvina, która polega na obrazowaniu w niskich temperaturach i przyjrzeli się stanom naładowania atomów złota absorbowanym na bardzo cienkiej warstwie chlorku sodu, po czym potwierdzili uzyskane wyniki stosując ten sam system z atomami srebra. "Wykorzystaliśmy technikę zwaną czujnikiem qPlus, który ma formę bardzo małego kamertonu, jak w zegarkach naręcznych, gdzie jeden ząb belki jest nieruchomy a drugi podtrzymuje czubek" - wyjaśnia dr Gross. Belka ma formę wspornika (opartego tylko na jednym końcu); belki wspornikowe są szeroko stosowane w systemach mikroelektromechanicznych; bez przetworników wspornikowych, technika AFM byłaby niemożliwa. "Jesteśmy w stanie włączyć ten czujnik do naszego istniejącego już zestawu STM do niskich temperatur" - dodaje. "Zaletą czujnika qPlus jest jego możliwość oscylowania w bardzo małych amplitudach, ponieważ tworzy on bardzo sztywny wspornik. Mogliśmy więc tworzyć zapisy i prowadzić pomiary z oscylacją o amplitudzie zaledwie 0,2 angstrema (około jedna dziesiąta średnicy atomu). Oscylacje o tak niewielkiej amplitudzie są niezbędne do uzyskania [�] rozdzielczości atomowej." Eksperymenty prowadzono w warunkach skrajnej próżni i temperaturach płynnego helu (około 4,2 kelwina) - a więc w warunkach bardzo odpowiadających czujnikowi qPlus. "Niskie temperatury potrzebne są nie tylko ze względu na stabilność aparatu, ale także całego układu. Pojedynczy atom na warstwie izolującej nie byłby stabilny w temperaturze pokojowej" - wyjaśnia dr Gross. Naukowcy stwierdzili, że zarówno ładunki dodatnie, jak i ujemne atomu, zwiększają trochę siłę na czubku AFM. To z kolei wytwarza siłę elektrostatyczną, której nie posiada atom w stanie obojętnym, zatem naukowcy byli w stanie określić, czy atom złota lub srebra posiadał ładunek dodatni bądź ujemny albo był obojętny. Zastosowana przez nich metoda pokazała, że bezkontaktową AFM można wykorzystywać do obrazowania pojedynczych atomów lub molekuł oraz wykrywania stanu naładowania pojedynczych atomów na warstwie izolującej. W towarzyszącym artykule wstępnym, Ernst Meyer i Thilo Glatzel z Uniwersytetu Bazylejskiego piszą, że "nowa technika istotnie wpłynie na dziedzinę elektroniki molekularnej". Fakt, że naukowcy byli w stanie przeprowadzić ten eksperyment bez podłączania obiektu badań do przewodów, jest dużym sukcesem - jak twierdzą. Należy mieć nadzieję, że nową metodę będzie można zastosować także w kontekście molekuł i sieci molekularnych. "Teraz AFM umożliwia zajęcie się grubszymi warstwami izolacyjnymi oraz izolatorami objętościowymi; jest to ważne, jeśli chcemy badać transport ładunków w planarnych warstwach molekularnych czy urządzeniach z pojedynczą molekułą albo sieciach molekularnych - wówczas potrzebna jest naprawdę grubsza warstwa izolująca, aby zapobiec jakimkolwiek wyciekom elektronów" - mówi dr Gross. Naukowcy planują wykorzystać technikę na grubszych warstwach izolujących i izolatorach objętościowych, a także zbadać układy molekularne i molekularno-metalowe za pomocą tego systemu. "Interesuje nas przede wszystkim pomiar przenoszenia ładunku i dystrybucji ładunków w tego typu sieciach" - wyjaśnia dr Gross. Oczekuje się, że zmodyfikowana technika AFM doprowadzi do wartościowych odkryć w dziedzinie źródeł energii, elektronice molekularnej, fotonice i katalizie.
Kraje
Szwajcaria, Niemcy, Niderlandy