Nové možnosti dynamického mikroskopu atomárních sil (AFM)  
Nová metoda umožňuje provádět chemickou identifikaci jednotlivých atomů na površích pevných látek pomocí techniky AFM (Atomic Force Microscope) operující v dynamickém modu, známém jako DFM (Dynamic Force Microscopy). Metoda byla ověřena na polovodičovém povrchu obsahujícím různé chemické prvky.

 

Ob.1.: Schématický obrázek mikroskopu atomárních sil operující v dynamickém režimu. (b) detail znázorňující atomární interakci mezi hrotem a povrchem.

První z řady rastrovacích mikroskopů, známý pod označením STM (Scanning Tunneling Microscope), byl založen na tunelovacím efektu, za jehož sestrojení obdrželi G. Binning a H. Rohrer v roce 1986 Nobelovu cenu. Pomocí STM přístroje je možné zobrazit morfologii povrchu s atomárním rozlišením, identifikovat jednotlivé atomy na povrchu pevné látky a provádět jejich kontrolovanou manipulaci. Nicméně použití této metody se omezuje pouze na elektricky vodivé povrchy.

Zvětšit obrázek
Obr.2.: Výsledek experimentálního měření různými AFM hroty ukazující rozdílné vazebné síly. Nicméně relativní poměr maxim silových křivek zůstává konstantní, závislý pouze na chemické povaze povrchového atomu.

Tento nedostatek překonává mikroskop atomárních sil (AFM - Atomic Force Microscope) umožňující charakterizovat libovolný povrch od kovů po izolátory v různém prostředí (od vysokého vakua po běžnou atmosféru, včetně kapalin). Díky těmto vlastnostem se metoda AFM stala nejen základním nástrojem charakterizace povrchů a nanosystémů, studia mechanických vlastností (tření, adheze a tvrdost), ale také nástrojem pro studium biologických systémů. AFM například se úspěšně použilo pro charakterizaci mechanických vlastností proteinů nebo určení lokální struktury buněčných membrán.

 

Princip mikroskopu atomárních sil AFM je založen na změně oscilační frekvence ostrého hrotu (o velikosti několika mikronů) upevněného na konci flexibilního raménka závisející na velikosti interakce hrotu se zkoumaným povrchem. Pokud se hrot nachází při maximální výchylce oscilačního cyklu raménka dostatečně blízko zkoumaného povrchu (cca 5 Angstrom, tj. deset miliontin milimetru), udává změna oscilační frekvence sílu chemické vazby mezi jednotlivými atomy na povrchu a vrcholovým atomem hrotu (viz. obr. 1.) umožňujícím získat atomární obrázky zkoumaného povrchu.

 

Chemická identifikace jednotlivých atomů, tj. přesné stanovení rozložení jednotlivých chemických prvků na povrchu zkoumaného vzorku, pomocí STM či AFM zůstávala dlouhá léta, více než 25 let, nenaplněnou výzvou. V této práci mezinárodní tým (Osaka University, Universidad Autonóma de Madrid a Fyzikální ústav AVČR v.v.i.) prokázal kombinací experimentálního měření interakčních sil pomocí DFM, kvantově mechanických výpočtů a jednoduchého analytického modelu možnost chemické identifikace právě na základě měření chemických vazebných sil. Jmenovitě bylo provedeno měření interakčních sil mezi povrchem a hrotem jak pro různé druhy povrchových atomů tak pro tvary hrotů. Jmenovitě bylo ukázáno, že poměr hodnot maximálních atraktivních sil je konstantní a nezávislý na samotném hrotu (obr. 2).

 

Zvětšit obrázek
Obr. 3: (a) topografický obrázek povrchové slitiny tvořené Si,Sn a Pb atomy. (b) histogram rozložení maximální přitažlivé síly mezi hrotem AFM a jednotlivými atomy na povrchu. (c) obrázek ukazující rozložení jednotlivých chemických prvků na daném povrchu.

 

Na základě konstantního poměru maxima interakčních sil, je možné provádět chemickou analýzu povrchu následujícím způsobem. Nejprve provedeme měření interakčních sil na povrchu obsahující dvě známé chemické složky, které můžeme rozlišit, například změnou poměrného zastoupení obou složek na povrchu na základě různé teploty vypařování. Určíme poměr maximálních sil interakce pro daný pár, např. pro kombinaci prvků Si a Sn činí poměr 77% a pro Si-Pb 59%. Tyto experimentálně naměřené hodnoty byly ve velmi dobré shodě s provedenými kvantovými výpočty simulující interakci hrotu AFM s daným povrchem.

 

 
Ing. Pavel Jelínek Ph.D.
(foto dopnila redakce)


 

Poté měřením interakčních sil a následnou aplikací konstantního poměru maximálních sil jednotlivých chemických složek (viz. obr. 3) je možné bezpečně identifikovat jednotlivé prvky na površích obsahujících více chemických prvků, kde neexistuje jiná přímá možnost chemického rozlišení a to i při pokojových teplotách.

 


Tato nová možnost mikroskopu atomárních sil znásobí tak již velké stávající možnosti uplatnění v oblasti studia katalytických procesů, povrchů pevných látek, v oblasti nanotechnologií či biologických systémů. Například možnost kombinace chemické identifikace a schopnosti manipulace jednotlivých atomů pomocí AFM na površích umožní konstrukci nanostruktur požadovaných vlastností a funkčnosti. Přesné umístění dopantů specifických vlastností na polovodičovém povrchu může výrazně zvýšit výkonnost nanometrických tranzistorů.


 

Komentář  Osla
Tato práce českých vědců se objevila na titulní straně prestižního vědeckého časopisu Nature.
Mezinárodní vědecký tým (Japonsko, Španělsko a ČR), jehož členem je i Pavel Jelínek z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR. publikoval práci pod názvem : "Chemical identification of individual surface atoms by atomic force microscopy"
Nature, volume 446, number 7131 pp1-108.
doi:10.1038/nature05530Nature 

Pavlu Jelínkovi i jeho spolupracovníkům srdečně blahopřejeme.



Datum: 01.03.2007 13:58
Tisk článku

Mikroskop zcela jednoduše - Kremer Bruno P.
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 499 Kč
cena: 439 Kč
Mikroskop zcela jednoduše
Kremer Bruno P.

Diskuze:

Proč se atomáč nevyrábí jako školní pomůcka

ZEPHIR,2007-03-03 16:23:03

IMO je konstrukčně mnohem jednodušší, než optický mikroskopy a když teď dělá barevný fotky by si každej mohl svoje atomy posílat MMSkou....

Odpovědět


no neviem

jano,2007-03-03 16:49:14

mozem vam povedat ze taketo a podobne zariadenia su i v bratislave, a osobne som meral iba na SIMS no konstrukcne su urcite zlozitejsie ako opticky mikroskop a i ultravysoke vakuum potrebne pre meranie nepridava na jednoduchosti :) inak tie obrazky atomovych povrchov sa podla mojho nazoru rekonstruuju zo signalu a teda ziadne fotenie a MMS v tomto pripade nie je mozne v klasickom slova zmysle
Inak velmi dobry cesky vedec je i Pavel Hobza s ktorym ciastocne spolupracujem na vypoctoch slabych interakcii

Odpovědět


AFM ovšem není SIMS...

ZEPHIR,2007-03-03 21:34:25

...a nepotřebuje vakuum, anžto vzdálenost hrotu od vzorku je mnohem menší, než střední dráha molekul ve vzduchu, maximálně se s ním pracuje v dry boxu.

Odpovědět

Take se pripojuji

Jirka Lhotak,2007-03-03 12:19:11

Take se pripojuji k tem, kteri jsou pysni na uspechy nasich lidicek. Gratuluji. Nature a Science jsou asi ty nej nej publikace. Zajimalo by mne kdy to bylo naposled co v nich nekdo od nas mel clanek?

Odpovědět

Gratulace

Milan Bacik,2007-03-02 15:01:04

Gratuluji panu Jelínkovi k vědeckému úspěchu a Oslu k tak významnému autorovi článku.

Odpovědět

super

jarda petr,2007-03-02 05:32:24

Jak říkají dnešní teenageři - super. Za prvé jsme článek viděl v Nature, ale dost dobře jsme mu nerozuměl. Už je to výrazně lepší. Drobné nejasnosti jdou na vrub mého "příjimače". Za druhé se opět potvrdilo, že česká věda se nemá za co stydět a čeští vědci dělají špičkové věci. Za třetí se opět potvrdilo, že česká věda to není těch pět "mediálně profláklých ksichtů" - jak to chápe laická veřejnost masírovaná "oficiálními" sdělovacími prostředky. Máme spoustu dobrých vědců (často mnohem lepších než ti "profláklí"). Jen se o nich nemluví a nepíše. Tady se povedlo, že o svém objevu napsal autor sám. Kdo by měl být povolanější, že? Myslím, že tohle je jeden z trendů, který česká pop-science potřebuje jako sůl.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace