Ученые IBM следят за атомами

Ученые IBM совместно со своими коллегами из Университета Регенсбурга (University of Regensburg), Германия, и Университета Утрехта (Utrecht University), Нидерланды, впервые продемонстрировали возможность измерения зарядового состояния отдельных атомов бесконтактным методом с помощью атомно-силового микроскопа. Осуществляя измерения с точностью элементарного заряда (уровня заряда электрона) и с нанометровым (миллимикронным) разрешением по плоскости, ученым удалось добиться возможности отличать электрически нейтральные атомы от положительно или отрицательно заряженных атомов. Это является чрезвычайно важным достижением нанонауки, открывающим новые возможности в исследовании структур наномасштаба и устройств с ограничениями на молекулярном и атомарном уровнях. Это достижение также обладает огромным потенциалом, способным оказать влияние на развитие целого ряда прикладных направлений, таких как молекулярная электроника, катализ (увеличение скорости химической реакции под действием катализатора) и фотоэлектрическая энергетика.

Согласно сообщению, опубликованному в номере журнала Science от 12 июня, Лео Гросс (Leo Gross), Фабиан Мон (Fabian Mohn) и Герхард Мейер (Gerhard Meyer) из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе (IBM Zurich Research Laboratory) совместно со своими коллегами из Университета Регенсбурга и Университета Утрехта смогли отобразить и идентифицировать отдельные атомы золота и серебра путем измерения сверхмалого различия значений силы, действующей между тончайшей иглой щупа атомно-силового микроскопа и заряженным (или незаряженным) атомом, находящимся в непосредственной близости от иглы щупа.

При проведении этих экспериментов исследователи использовали комбинированный сканирующий туннельный микроскоп (scanning tunneling microscope, STM) и атомно-силовой микроскоп (atomic force microscope, AFM) в вакуумной среде при сверхнизкой температуре (5 градусов по Кельвину) — с целью достижения высокой стабильности измерений.

Атомно-силовой микроскоп использует тончайший наконечник щупа (зонда) для измерения сил притяжения между щупом и атомами на поверхности подложки. В описываемом эксперименте AFM-микроскоп использовал датчик силы qPlus, состоящий из иглы щупа, установленной на одном<острие>(конце) вильчатого резонатора камертонного типа; при этом второе острие было закреплено, оставаясь неподвижным. Этот камертонный датчик, который, фактически, представляет собой миниатюрный кварцевый резонатор (подобно эталонному генератору стабильной частоты в обычных наручных часах), приводится в действие механически и колеблется с амплитудой порядка 22 пикометра (или 0,022 нанометра), что приблизительно соответствует 1/10 диаметра атома. По мере приближения иглы щупа микроскопа AFM к образцу, резонансная частота колебаний камертонного датчика меняется в результате действия сил, возникающих между щупом и образцом. Сканируя иглой щупа по поверхности образца и измеряя различия в смещении (уходе) частоты, можно составить точную диаграмму сил, действующих на поверхности образца.

Чрезвычайно высокая стабильность условий измерения была крайне важна для<улавливания>сверхмалых значений силы, вызванной переходами сканирующей иглы от атома с одним зарядовым состоянием к атому с другим зарядовым состоянием. К примеру, различие между значениями силы у электрически нейтрального атома золота и у такого же атома золота, но заряженного дополнительным электроном, составляет, как было установлено, всего лишь 11 пиконьютон (измерено при минимальном расстоянии почти в половину нанометра, на которое игла щупа приближалась к атому в процессе сканирования). Точность измерения в этих экспериментах составляет более 1 пиконьютона, что эквивалентно гравитационной силе (силе притяжения), с которой воздействуют друг на друга два взрослых человека, находясь на расстоянии более полукилометра один от другого. Более того, путем измерения колебаний значения силы при приложении электрического напряжения между иглой щупа и образцом, ученым удалось отличить положительно заряженные отдельные атомы от отрицательно заряженных атомов.

Этот прорыв является еще одним выдающимся достижением в области научных исследований на атомарном уровне. В отличие от микроскопа STM, который может использоваться только с электропроводящими материалами, микроскоп AFM независим от проводимости образцов и может применяться для исследования материалов любых видов, в том числе диэлектриков, что особенно важно. В молекулярной электронике, которая специализируется на использовании молекул в качестве<строительных блоков>для вычислительных устройств будущего (как и для<одноэлектронных>устройств), изолирующая подложка необходима для предотвращения утечки электронов. Все это делает бесконтактную атомно-силовую микроскопию предпочтительным методом исследований.

<Микроскоп AFM с зарядовой чувствительностью одноэлектронного уровня является мощным инструментом для исследования переноса заряда в молекулярных комплексах, помогающим нам лучше понять физику того, что, в один прекрасный день, может привести к созданию революционных вычислительных систем и концепций>, — поясняет Герхард Мейер (Gerhard Meyer), который возглавляет в лаборатории IBM Zurich Research Laboratory направления исследований, связанные с применением микроскопов STM и AFM. При изучении переноса заряда в молекулярных комплексах ученые основываются на предположении, что в будущих экспериментах одиночные атомы можно будет связывать с молекулами для формирования металло-молекулярных сетей. Используя иглу зонда микроскопа для<зарядки>этих атомов, ученые смогут, затем, внедрить электроны в систему и измерить их распределение методом бесконтактной атомно-силовой микроскопии (см. рисунок 2).

Исследователь IBM Лео Гросс обращает внимание на другие области применения, лежащие вне сферы вычислительных нанотехнологий.<Характеристики зарядового состояния и распределения зарядов чрезвычайно важны в процессах катализа и фотоэлектрического преобразования. Картина распределения зарядов на атомарном уровне может стать ключевым шагом на пути познания фундаментальных процессов в этих прикладных областях>, — подчеркивает Гросс.

Объявленное сегодня достижение, следующее за чередой выдающихся научных побед, которых ученые IBM добились за последние годы, знаменует собой важнейший этап исследований по созданию вычислительных элементов в молекулярном масштабе — вычислительных элементов, которые, как ожидается, будут значительно миниатюрнее, производительнее и энергетически эффективнее, чем сегодняшние процессоры и модули оперативной памяти.

Используя кварцевый резонатор камертонного типа на щупе микроскопа AFM, группе ученых из Альмаденского исследовательского центра IBM (Almaden Research Center) впервые удалось измерить силу, необходимую для перемещения одиночного атома по поверхности образца, подготовив, тем самым,<почву>для нынешнего эксперимента. Это произошло в 2008 году, а годом ранее команда Герхарда Мейера из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе продемонстрировала вполне работоспособный<одномолекулярный коммутатор>(single-molecule switch), функционирующий без нарушения внешней структуры и формы молекулы. В 2004 году этой же команде удалось осуществить управляемое манипулирование зарядовым состоянием отдельных атомов с использованием микроскопа STM. Подводя напряжение к игле щупа STM в импульсном режиме, они смогли зарядить дополнительным электроном отдельный атом на поверхности тонкой диэлектрической пленки. Важно то, что отрицательно заряженный атом оставался стабильным до тех пор, пока через щуп STM не<пропускали>импульс напряжения с противоположным электрическим смещением. Этим методом и воспользовались ученые в нынешнем эксперименте, чтобы зарядить отдельные атомы.

Достижения IBM в области нанотехнологий

IBM является пионером в области нанонауки и нанотехнологий, которые родились вместе с разработкой Гердом Биннигом (Gerd Binnig) и Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer) сканирующего туннельного микроскопа (STM) в лаборатории IBM Zurich Research Lab в 1981 году. За это изобретение, которое сделало возможным отображение отдельных атомов и, позднее, манипуляции с ними, Герд Бинниг и Генрих Рорер получили в 1986 году Нобелевскую премию по физике. Атомно-силовой микроскоп (AFM),<потомок>сканирующего туннельного микроскопа STM, был разработан Биннигом в том же 1986 году. Микроскоп STM широко признан в мире как инструмент, открывший дорогу в наномир.

Научная статья, озаглавленная "Measuring the Charge State of an Adatom with Noncontact Atomic Force Microscopy" (<Измерение зарядового состояния адсорбированного атома методом бесконтактной атомно-силовой микроскопии>), подготовленная группой авторов в составе Л. Гросса (Leo Gross), Ф. Мона (Fabian Mohn), П. Лилджерота (P. Liljeroth), Дж. Реппа (J. Repp), Ф. Дж. Гессибла (F. J. Giessibl) и Г. Мейера (Gerhard Meyer), была опубликована в журнале Science, Выпуск (том) хх, Номер хх, Стр. xxx-xxx (12 июня 2009 года).