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.
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).
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.
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.