Можливість візуалізації електронної структури окремого атома з резрешением на рівні окремих орбіталей електронів

Сучасні нанотехнології неможливі без точного дослідницького обладнання, що дозволяє проникати всередину структури речовини і «бачити» окремі атоми. Один із найпотужніших інструментів подібного роду з’явився в 1980-ті роки: саме тоді був створений скануючий тунельний мікроскоп, що дозволив візуалізувати атоми на поверхні тел. А вже у 1986 році за цей винахід співробітникам Дослідного центру компанії IBM в Цюріху Герду Биннигу Генріху Рореру була присуджена Нобелівська премія з фізики.

Подальші успіхи скануючої тунельної мікроскопії пов’язані з розробкою і розвитком нових методик, що дозволяють поглиблено вивчати властивості окремих атомів і молекул, а також з поліпшенням просторового дозволу ВТМ. І в цій області російські вчені опинилися серед лідерів. Зовсім недавно дослідники з лабораторії спектроскопії поверхні напівпровідників Інституту фізики твердого тіла РАН (ИФТТ РАН) «пробили шлях» вже всередину атома: вони запропонували метод підготовки вольфрамових зондів для скануючої тунельної мікроскопії (СТМ) пикометрового (1 пикометр = 0,001 нм) дозволи, що дозволяють одержувати зображення окремих орбіталей електронів. Їх стаття опублікована в престижному журналі Scientific Reports (Nature Publishing Group).).

Роботу скануючого тунельного мікроскопа, що використовує квантовий ефект тунелювання електронів, що можна описати як «промацування» поверхні твердого тіла. Дуже тонка голка-зонд (товщиною в один атом) переміщається над поверхнею досліджуваного об’єкта на відстані близько одного нанометра. При таких малих відстанях електрони туннелируют, тобто, долають вакуумний бар’єр і між зондом і поверхнею зразка виникає струм. За величиною зміни тунельного струму при переміщенні зонда уздовж поверхні рельєф її досліджується як би «на дотик».

Дозвіл, експериментально продемонстрована у роботі вчених ИФТТ, було досягнуто на скануючому тунельному мікроскопі, створених виключно російськими дослідниками. Прототип приладу був створений С. Л. Прядкиным з колегами в ИФТТ РАН, а остаточний варіант сверхвысоковакуумного мікроскопа – GPI-300 з’явився завдяки групі К. Н. Єльцова з ІОФ РАН. Ентузіасти працювали над створенням приладу в 1990-і роки, в епоху змін і недофінансування російської науки. Підтримку їм надавав тодішній керівник ІОФ РАН, Нобелівський лауреат 1964 року з фізики Олександр Михайлович Прохоров.

У своїй роботі, опублікованій в Scientific Reports, дослідники показали можливість візуалізації електронної структури окремого атома (див. фото). Унікальне дозвіл досягнуто на рівні окремих орбіталей електронів в атомі, чого раніше не виходило навіть на скануючих тунельних мікроскопах, які працюють при наднизьких температурах.

Електронна структура атома вольфраму на вістря зонда. Зміна відстані між атомом вольфраму на вістря зонда і атомом вуглецю поверхні графіту дозволяє «промацувати» різні орбіталі електронів в атомі вольфраму. Зображення отримані Олександром Чайкою в ИФТТ РАН на мікроскопі GPI-300. Вказані масштаби по горизонталі і вертикалі – 30 пикометра (0,03 нм)

«Перший раз такий дозвіл ми отримали на початку 2009 року, розповідає Олександр Чайка, старший науковий співробітник лабораторії спектроскопії поверхні напівпровідників ИФТТ РАН, – а статтю із зображенням атомних орбіталей вольфраму вдалося опублікувати лише в грудні 2010 року, після того як вона була відхилена в п’яти журналах – були і сумніви в відтворюваності експерименту, і неприйняття нашої трактування отриманих результатів, і невіра в можливість досягнення високого дозволу при кімнатній температурі. Ми були змушені виконати величезну технічну роботу, кілька разів відтворити експеримент і показати, якими зондами знімалися орбіталі, щоб переконати наукову громадськість в достовірності наших даних. Сподіваюся, остання стаття, на сайті Nature, повинна зняти питання опонентів».

Це не перша публікація авторів по орбітальному вирішенню в СТМ. У 2007 році була опублікована стаття в Phys. Rev. Letters, але саме в роботі з вольфрамовою голкою вперше експериментально було показано, як змінюється електронна структура атомів при утворенні зв’язків між ними і як можна контролювати процес «промацування» атомних орбіталей. Ця робота важлива, в першу чергу, як методика для отримання стабільно високого дозволу в СТМ і визначення хімічної природи окремих атомів на поверхні зразка.

Висока роздільна здатність за допомогою монокристалічних вольфрамових зондів було отримано при дослідженні різних систем, що представляють інтерес для науки і технологій: Si(557), GaTe, графен/SiC(001). Зокрема, в останній роботі автори експериментально спостерігали випадкові деформації вуглецевих зв’язків пикометрового масштабу в графені. На даний момент, такий дозвіл – рекорд для ВТМ. Саме воно дозволило визначити структуру і властивості графену, вирощеного авторами на економічній кремнієвої підкладки Si(001), що використовується в сучасній електроніці. Це показує важливість поліпшення дозволу скануючих зондовых мікроскопів для розвитку технологій атомного масштабу.

Дослідження російських вчених виконані за підтримки Програм Російської Академії Наук (2004-2013 рр..), РФФД і Європейської рамкової програми FP7.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *