Tredimensionelle, retningsafhængig kraftmåling på subatomær skala

Atomisk kraftmikroskopi (AFM) er en ekstremt følsom teknik, der giver os mulighed for at afbilde materialer og/eller karakterisere deres fysiske egenskaber på atomskalaen ved at fornemme kraften over materialeoverflader ved hjælp af en præcist kontrolleret spids. Imidlertid, konventionel AFM giver kun overfladens normale komponent af kraften (Z-retningen) og ignorerer komponenterne parallelt med overfladen (X- og Y-retningerne). For fuldt ud at karakterisere materialer, der bruges i nanoskalaenheder, det er nødvendigt at indhente information om parametre med retningsbestemthed, såsom elektronisk, magnetiske, og elastiske egenskaber, i mere end blot Z-retningen. Det er, det er også ønskeligt at måle disse parametre i X- og Y-retningerne parallelt med overfladen af ​​et materiale. At måle fordelingen af ​​sådanne materialeparametre på atomær skala vil øge vores forståelse af kemisk sammensætning og reaktioner, overflademorfologi, molekylær manipulation, og nanomaskinedrift.

En forskergruppe ved Osaka University har for nylig udviklet en AFM-baseret tilgang kaldet "bimodal AFM" for at få information om materialeoverflader i X, Y, og Z-retninger (dvs. i tre dimensioner) på den subatomære skala. Forskerne målte den samlede kraft mellem en AFM -spids og materialeoverflade i X, Y, og Z-retninger under anvendelse af en germanium (Ge) overflade som et substrat. Deres samarbejdspartner, Institut for Fysik ved Det Slovakiske Videnskabsakademi, bidrog med computersimuleringer af spids-overflade interaktioner. Den bimodale AFM-tilgang blev for nylig rapporteret i Naturfysik .

"En ren Ge(001) overflade har skiftevis justerede anisotrope dimerer, som drejes 90° hen over trinnet, hvilket betyder, at de viser en to-domæne struktur, "forklarer første forfatter Yoshitaka Naitoh." Vi sonderede kraftfelterne fra hvert domæne i lodret retning ved at oscillere AFM -spidsen ved bøjningsresonansfrekvensen og i parallelretningen ved at oscillere den ved vridningen. "

Holdet udtrykte først kraftkomponenterne som vektorer, tilvejebringelse af vektorfordelingen over overfladen i subatomær skala. Computersimuleringen understøttede de eksperimentelle resultater og belyste arten af ​​kemisk spidsafslutning og morfologi og, i særdeleshed, hjalp med at afklare de udestående spørgsmål vedrørende spids-overfladeafstandene i eksperimentet.

"Vi målte størrelsen og retningen af ​​kraften mellem AFM-spidsen og Ge-overfladen på en subatomisk skala i tre dimensioner, " siger Naitoh. "Sådanne målinger vil hjælpe med forståelsen af ​​strukturen og kemiske reaktioner af funktionaliserede overflader."

Den udviklede bimodale AFM -tilgang gør det muligt for forskere at undersøge materialers fysiske egenskaber mere detaljeret på nanoskalaen, som skal lette udviklingen af ​​enheder, nanoteknologi, og friktions-/smøresystemer.