Kontrol af nanoclusters med overfladedefekter kan føre til konstruktion af nanoenheder (m/ video)

(Phys.org) – I nanovidenskab, det ultimative mål er at designe bedre materialer og enheder ved at kontrollere atomernes positioner, molekyler, og molekylære klynger på et substrat med nøjagtig præcision. I en ny undersøgelse, forskere har udviklet en ny metode til at kontrollere bevægelser og positioner af klynger af guldatomer på et isolerende substrat, ikke kun ved at bruge spidsen af ​​et mikroskop, som man normalt gør, men også ved at bruge atomstore defekter i selve substratet. Det ekstra kontrolniveau, som defekterne tilbyder, kan vise sig nyttigt til at konstruere fremtidige nanoenheder og nanomaskiner.

Forskerne, Teemu Hynninen, et al., fra institutter i Finland og Frankrig, har offentliggjort deres undersøgelse om manipulation af guld nanoclusters ved hjælp af defekter i en NaCl-overflade i et nyligt nummer af Videnskabelige rapporter .

I 1990, forskere viste først, at de kunne flytte enkelte atomer ved at skubbe dem med spidsen af ​​et scanning tunneling microscope (STM). Men selvom det kan være af stor fundamental interesse at flytte enkelte atomer, det er faktisk mere praktisk at kunne flytte noget større atomklynger.

"Til mange anvendelser - såsom katalyse - er klynger eller molekyler mere relevante end enkelte atomer, så det giver mening at operere på større enheder end bare atomer, "Hynninen, ved Aalto University og Tampere University of Technology i Finland, fortalte Phys.org . "Også, hvis du vil bygge noget af betydelig størrelse (på nanoskala) er det nemmere, hvis du kan bruge større byggeklodser. Selvfølgelig, du ville aldrig producere noget med nanomanipulation – det er alt for ineffektivt. Nanomanipulation er en teknologi, hvormed man kan designe strukturer med absolut præcision til videre studier."

I løbet af de sidste mange år, videnskabsmænd har demonstreret, hvordan man flytter atomklynger ved hjælp af et ikke-kontakt atomkraftmikroskop (nc-AFM), som virker på grund af en frastødende interaktion, der opstår mellem klyngen og spidsen, når de kun er nogle få ångstrøm fra hinanden. Generelt, atomklynger kan flyttes af en berøringsfri spids på to måder:ved at sænke spidsen fra direkte over klyngen (som forskerne her kalder "kicking"), og ved at flytte spidsen mod klyngen fra siden (som forskerne her kalder "glidning").

Selvom spark og glidning giver dokumenterede måder at flytte atomklynger på, begge metoder er begrænset af spidsens scanningsretning. Det er, retningen af ​​klyngens bevægelse afhænger af spidsens position.

I den nye undersøgelse, forskerne viste, at ved at udnytte de naturlige defekter i substratet, som atomerne ligger på, de kan flytte atomklynger på en måde, der ikke er fuldstændig begrænset af spidsens position. Som forskerne forklarer i deres papir og i YouTube-videoen, et NaCl-substrat kan have tomgangsdefekter på grund af manglende Na-ioner og Cl-ioner. Da forskerne deponerede enkelte neutrale guldatomer på det isolerende NaCl-substrat, de observerede, at de ledige stillinger fungerer som kernedannelsessteder, der tillader guldatomerne og -klyngerne at binde sig til substratet.

Forskerne fandt ud af, at guldklynger binder sig til ledige Na-ioner og ledige Cl-ioner på forskellige måder. En klynge binder sig til en Na-ion-tomgang langs en af ​​klyngens kanter, så den orienterer sig med en nærliggende række af Cl-ioner. Klyngens energetisk foretrukne bevægelsesmåde er at glide langs rækken af ​​Cl-ioner i en lige linje, parallelt med den limede kant. I modsætning, en klynge binder til en Cl-ion-tomgang i et af klyngens hjørner i stedet for en kant. Denne klynge foretrækker at bevæge sig ved at dreje rundt om dets sammenbundne hjørne, da den hele tiden forsøger at omorientere sig med naboioner. Som resultat, klyngen kan bevæge sig i en zig-zag bane i enhver retning.

Da forskerne hentede en nc-AFM til at scanne overfladen fra toppen og siden, de fandt ud af, at de kunne flytte 5-nm klynger af guldatomer (ca. 2000-2500 atomer) på forskellige måder, afhængig af typen af ​​defekt, som klyngerne var bundet til. Ved at vide, at Na ion ledige pladser er den dominerende defekt på en del af substratet kaldet step-edges, og Cl ion ledige stillinger er mere almindelige på en del kaldet terrassen, forskerne kunne henføre de forskellige typer af klyngebevægelser til de forskellige typer af ledige stillinger. Klynger på trinkanterne bevægede sig altid i en lige linje i en bestemt retning, mens klynger på terrassen nemt kunne flyttes i forskellige retninger.

Defekternes bidrag til klyngernes bevægelse giver forskere en ekstra måde at manipulere klynger på ved hjælp af en nc-AFM. Forskerne håber, at denne mekanisme kan udnyttes til at bygge nanostrukturer og, i en omvendt proces, klyngernes bevægelser kunne bruges til at hjælpe med at identificere typer af defekter på et underlag. Som forskerne forklarede, det kan være muligt at kontrollere defekterne på underlag, og derved styre bevægelsen af ​​klynger.

"Stort set alle materialer har defekter som ledige stillinger, og ofte optræder de også på overfladerne, " sagde Hynninen. "Defekter kan skabes eller fjernes for eksempel ved bestråling eller varmebehandling. Et almindeligt eksempel er ædelstensbestråling, hvor ædelstens farve styres ved at udsætte dem for bestråling. Strålingen skaber defekter i krystallerne, og disse påvirker ædelstenernes optiske egenskaber. I princippet, man kunne bruge sådanne metoder til at kontrollere defekterne og dermed bevægelsen af ​​klynger. Den nøjagtige måde, hvordan dette ville fungere, afhænger af substratet og klyngerne."

© 2013 Phys.org