Ingen lille foranstaltning:Undersøgelse af guldkontakters mekanik på nanoskala

Miniaturisering er kernen i utallige teknologiske fremskridt. Det er ubestrideligt, at efterhånden som enheder og deres byggeklodser bliver mindre, formår vi at låse op for nye funktionaliteter og komme med hidtil usete applikationer. Men med flere og flere forskere, der dykker ned i materialer med strukturer på atomær skala, bliver hullerne i vores nuværende forståelse af nanomaterialefysik mere fremtrædende.

For eksempel repræsenterer nanomaterialets overflade en sådan videnskløft. Dette skyldes, at indflydelsen af ​​overfladekvanteeffekter bliver meget mere tydelig, når overflade-til-volumen-forholdet af et materiale er højt. I nanoelektromekaniske systemer (NEMS), et aktuelt varmt emne inden for forskning, adskiller de fysiske egenskaber af nanomaterialerne sig meget fra deres bulk-modstykker, når deres størrelse er reduceret til et par atomer. En solid forståelse af de mekaniske egenskaber af nanotråde og nanokontakter - integrerede komponenter i NEMS - er afgørende for at fremme denne teknologi. Men at måle dem har vist sig at være en udfordrende opgave.

På denne baggrund opnåede et forskerhold fra Japan for nylig en hidtil uset bedrift, da de formåede præcist at måle elasticitetsmodulet af guld nanokontakter strakt ned til nogle få atomer. Undersøgelsen, offentliggjort i Physical Review Letters , blev ledet af prof. Yoshifumi Oshima fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST). Resten af ​​holdet omfattede post-doc-forsker Jiaqi Zhang og professor Masahiko Tomitori fra JAIST og professor Toyoko Arai fra Kanazawa University.

For at observere guld nanokontakterne, mens de blev mekanisk strakt, brugte forskerne transmissionselektronmikroskopi (TEM) i ultrahøjt vakuum. Dette var vigtigt for at sikre, at overfladen af ​​nanokontakterne forblev helt ren under målingerne. I mellemtiden, for nøjagtigt at måle Youngs modul (et mål for stivhed) af nanokontakterne, tyede holdet til en innovativ teknik, de tidligere havde udviklet. De satte en kvarts-længdeforlængerresonator (LER) i en TEM-holder og fastgjorde den ene side af nanokontakten til den. I deres opsætning ændrede resonansfrekvensen sig afhængigt af den "ækvivalente fjederkonstant" af guld nanokontakten, som er relateret til materialets Youngs modul. "Med vores tilgang, som vi kaldte 'nanomekanik-målemetoden', kan vi nøjagtigt måle et nanomateriales ækvivalente fjederkonstant, mens vi samtidig observerer det ved hjælp af TEM og måler dets elektriske ledningsevne," forklarer prof. Oshima.

Ved hjælp af denne strategi eksperimenterede forskerne med guld nanokontakter, som de gradvist strakte uden at gå i stykker. De observerede, hvordan individuelle atomer omarrangerede sig i nye lag, da hver nanokontakt blev strakt, og beregnede, hvordan Youngs modul ændrede sig afhængigt af dens størrelse. Mens Youngs modul for indersiden af ​​nanokontakterne var lig med bulk guld (90 GPa), viste det sig at overfladen af ​​nanokontakterne kun var 22 GPa.

Med denne viden demonstrerede holdet, at den samlede styrke af guld nanokontakter er styret af blødheden af ​​deres yderste overfladelag. "Vores resultater afklarer, hvorfor styrken af ​​et nanomateriale adskiller sig fra styrken af ​​bulkkrystaller afhængigt af dets størrelse, og vores tilgang tillader os at estimere Youngs modul af enhver type guld i nanostørrelse," bemærker prof. Oshima. "Vores resultater giver især passende retningslinjer for design og udvikling af nanotråde og nanoplader til NEMS. Dette kan åbne døre til lovende tryk-, gas- og lydsensorer, blandt andre applikationer," tilføjer han.

Bortset fra NEMS forventer holdet, at deres resultater sammen med deres målemetode kan have potentielle implikationer for kemien, da kemiske reaktioner ikke kun afhænger af katalysatorens struktur eller elektroniske tilstand, men også af vibrationer på atomare skala på dens overflade. Da disse atomære vibrationer er relateret til materialets overfladestyrke, er det muligt, at den foreslåede metode kan hjælpe os med at finde nye måder at kontrollere kemiske reaktioner på. + Udforsk yderligere

Hængende i en tråd:Billeddannelse og sondering af kæder af enkelte atomer