IBM зміряла зарядового стану атомів

0
1

Вчені IBM спільно зі своїми колегами з університету Регенсбурга і університету Утрехта вперше продемонстрували можливість вимірювання зарядового стану окремих атомів безконтактним методом за допомогою атомно-силового мікроскопа. Здійснюючи вимірювання з точністю елементарного заряду (рівня заряду електрона) і з нанометровим (миллимикронным) дозволом по площині, ученим вдалося добитися можливості відрізняти електрично нейтральні атоми від позитивно або негативно заряджених атомів.

Вчені змогли відобразити та ідентифікувати окремі атоми золота і срібла шляхом вимірювання сверхмалого відмінності значень сили, що діє між найтоншої голкою щупа атомно-силового мікроскопа і зарядженим (або незарядженим) атомом, що знаходяться в безпосередній близькості від голки щупа.
При проведенні цих експериментів дослідники використовували комбінований скануючий тунельний мікроскоп і атомно-силовий мікроскоп в вакуумному середовищі при наднизькій температурі (5 градусів за Кельвіном) – з метою досягнення високої стабільності вимірювань.

Атомно-силовий мікроскоп використовує тонкий наконечник щупа (зонда) для вимірювання сил тяжіння між щупом і атомами на поверхні підкладки. В описаному експерименті AFM-мікроскоп використовував датчик сили qPlus, що складається з голки щупа, встановленої на одному «вістря» (кінці) вильчатого резонатора камертона типу; при цьому друге вістря було закріплено, залишаючись нерухомим. Цей камертонний датчик, який, фактично, являє собою мініатюрний кварцовий резонатор (подібно еталонного генератора стабільної частоти в звичайних наручних годинниках), приводиться в дію механічно і коливається з амплітудою близько 22 пикометра (або 0,022 нанометра), що приблизно відповідає 1/10 діаметра атома. По мірі наближення голки щупа мікроскопа AFM до зразком, резонансна частота коливань камертона датчика змінюється в результаті дії сил, що виникають між щупом і зразком. Скануючи голкою щупа по поверхні зразка і вимірюючи відмінності у зміщенні (догляду) частоти, можна скласти точну діаграму сил, діючих на поверхні зразка.

Надзвичайно висока стабільність умов вимірювання була вкрай важлива для «уловлювання» надмалих значень сили, викликаної переходами скануючої голки від атома з одним зарядовим станом атому з іншим зарядовим станом. Наприклад, відмінність між значеннями сили у електрично нейтрального атома золота і у такої ж атома золота, але зарядженого додатковим електроном, становить, як було встановлено, всього лише 11 пиконьютон (виміряно при мінімальній відстані майже в половину нанометра, на яке голка щупа наближалася до атома в процесі сканування). Точність вимірювання у цих експериментах становить понад 1 пиконьютона, що еквівалентно гравітаційної сили (сили тяжіння), з якої впливають один на одного два дорослих людини, перебуваючи на відстані більше півкілометра один від іншого. Більше того, шляхом вимірювання коливань значення сили при додатку електричного напруги між голкою щупа і зразком, вченим вдалося відрізнити позитивно заряджені окремі атоми від негативно заряджених атомів.

На відміну від мікроскопа STM, який може використовуватися тільки з електропровідними матеріалами, мікроскоп AFM незалежний від провідності зразків і може застосовуватися для дослідження матеріалів будь-яких видів, у тому числі діелектриків, що особливо важливо. В молекулярній електроніці, яка спеціалізується на використанні молекул як «будівельних блоків» для обчислювальних пристроїв майбутнього (як і для «одноелектронних» пристроїв), ізолююча підкладка необхідна для запобігання витоку електронів. Все це робить безконтактну атомно-силову мікроскопію кращим методом досліджень.