Картографирование атомов с помощью атомно-силового микроскопа
Ядерный силовой микроскоп (atomic force microscope, AFM) был изобретен более 20 лет назад. Он обширно употребляется чтобы получить изображение разных поверхностей с атомарным разрешением а также для манипуляции отдельными атомами.
В динамическом («бесконтактном») режиме острая игла AFM крепится к концу эластичного кантилевера, колеблющегося в перпендикулярном поверхности направлении. Сила, действующая на иглу со стороны поверхностных атомов, ведет к трансформации резонансной частоты, которая измеряется с высокой точностью.
Компьютерная обработка приобретаемых наряду с этим данных и разрешает в конечном счете нарисовать трехмерную карту поверхности. В отличие от собственного собрата – сканирующего туннельного микроскопа – AFM способен «рассмотреть» атомы не только на проводящих, но и на диэлектрических поверхностях. А вот чего AFM не имеет возможности – так это различить атомы различных химических элементов, другими словами выявить их «химическую принадлежность».
Дело в том, что сила, действующая на иглу, зависит не только от типа атома, и вдобавок и от конкретной ядерной конфигурации ее кончика (см. рис.1), которая ни при каких обстоятельствах точно не известна.
Рис. 1. Игла AFM сканирует поверхность
В работе [1] коллектива из Японии, Чехии и Испании предложена методика, разрешающая выяснить тип атома при помощи AFM. Мысль содержится в следующем. В случае если безотносительная величина большой силы F, действующей на иглу AFM со стороны того либо иного атома зависит от конструкции острия, то ее относительная величина фактически одинаковая для различных иголок. Это было показано как экспериментально (для разных атомов на поверхности кремния), так и методом расчетов.
Выяснилось, например, что FM/FSi = 0.77 ± 0.02, 0.59 ± 0.03 и 0.72 ± 0.04 для M = Sn, Pb и In соответственно.
Рис. 2. Диаграмма распределения силы, действующей на иглу AFM, для «поверхностного сплава» Si/Sn/Pb
Изучение «поверхностного сплава» из атомов Si, Sn и Pb продемонстрировало, что, вправду, распределение FМ/FSi представляет собой три четко различимых пика, отвечающих атомам различного сорта (см. рис. 2). Так, «откалибровав» AFM один раз на известных совокупностях, возможно потом применять его для определения не только ядерного строения, но и состава разных поверхностей.
Это весьма понадобится при разработке новых полупроводниковых нанотехнологий. До тех пор пока, действительно, не в полной мере светло, каждые ли атомы AFM окажется в состоянии различить. Так как может статься, что для каких-то элементов «нормированные силы» окажутся однообразными в пределах погрешности.