Student World

***oznámení tiskového odboru AV ČR

V práci publikované v posledním čísle časopisu Sciencee 16. října 2008 mezinárodní tým vědců z Japonska, Španělska a České republiky prezentuje novou metodu atomární manipulace, která umožňuje psát na povrch pevné látky pomocí jednotlivých atomů podobně jako psací pero. Nová metoda umožňuje nejenom zápis, ale i kontrolované vymazání již vytvořených atomárních vzorů. V článku tým autorů poprvé představil novou metodu a také detailně vysvětlil její mechanismus na základě kvantových výpočtů. Možnosti nové metody mezinárodní vědecký tým demonstroval vepsáním symbolu Si na povrch pevné látky. Symbol Si byl zvolen záměrně, neboť právě atomy křemíku byly použity jako inkoust. Experiment byl proveden při pokojové teplotě, což výrazně rozšiřuje možnosti praktického využití atomární manipulace v oblasti nanotechnologií.
Tato metoda poskytuje mimo jiné úplně nové možnosti při přípravě zcela nových nanostruktur, které se stanou základem pro budoucí generaci čipů, umožní vytváření nových katalyzátorů na atomární úrovni a také významně přispěje k bližšímu pochopení tření na atomární úrovni, neboť poskytuje informace o silách nutných k manipulaci jednotlivých atomů a energetických ztrátách spojených s tímto procesem.

Nová metoda umožňuje cílenou manipulaci jednotlivých atomů na površích pevných látek pomocí techniky AFM (Atomic Force Microscope) operující v dynamickém modu známém jako dAFM (dynamic Atomic Force Microscopy). Navržená metoda byla úspěšně ověřena na vybraných polovodičových površích obsahujících různé chemické prvky, a to při pokojové teplotě. Nová metoda používá hrot mikroskopu jako atomární tužku, kde jednotlivé atomy daného chemického druhu byly kontrolovaným přiblížením hrotu vyryty na povrch pevné látky ve formě slova označujícího daný prvek. Nová metoda dovoluje vytvářet libovolně uspořádané útvary na povrchu pevné látky při libovolné teplotě. Tento objev je významným krokem k dalšímu rozvoji nanotechnologií. Práce spolu s předešlým objevem této vědecké skupiny (chemická identifikace jednotlivých atomů viz Nature vol. 466, stránka 64 (2007)) dovolí vytvářet sofistikované, přesně specifikované nanostruktury požadovaných chemických a fyzikálních vlastností.

Obr. 1. Schematický obrázek funkce mikroskopu atomárních sil. Schopnost detekce jednotlivých atomů na povrchu pevné látky je možná na základě měření interakce chemické vazby mezi atomem hrotu a povrchu (viz b)

První úspěšnou kontrolovanou manipulaci jednotlivých atomů pomocí rastrovacího tunelovacího mikroskopu, známého pod označením STM (Scanning Tunneling Microscope), provedl v roce 1989 Don Eigler a jeho spolupracovníci z  laboratoře IBM. V daném případě byl z atomů Xeonu na povrchu kovu zkonstruován nápis IBM při velmi nízké teplotě, jmenovitě 4 stupně Kelvina (tj. -265o C). Od té doby byly vyvinuty další metody umožňující kontrolovanou manipulaci jednotlivých atomů nebo molekul na povrchu pevné látky. Přes nesporný pokrok v oblasti atomárních manipulací existuje hned několik významných limitujících faktorů pro jejich další technologické využití: (i) nutnost specifických vlastností daného povrchu (mikroskop STM umožňuje pracovat pouze s vodivými materiály); (ii) nutnost velmi nízkých teplot, blízkých absolutní nule, které jsou dosažitelné jen za speciálních laboratorních podmínek; navíc se takto získané atomární struktury vyznačují velmi krátkou dobou životnosti (řádově sekundy); (iii) zejména je to ale fakt, že stávající metody neumožňují současně „zapisovat“ a „mazat“ jednotlivé atomy, ale většinou pouze přesun stávajících atomů na povrchu pevné látky.
Omezení na elektricky vodivé povrchy překonává mikroskop atomárních sil (AFM – Atomic Force Microscope) umožňující charakterizaci povrchu jak vodičů, polovodičů či izolátorů v různém prostředí (od vysokého vakua po běžnou atmosféru včetně tekutin). 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, například 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, která je přímo úměrná velikosti interakce se zkoumaným povrchem. Pokud se hrot při maximální výchylce oscilačního cyklu nachází dostatečně blízko zkoumaného povrchu (cca 5 Angstrom, tj. deset miliontin milimetru), pak změna oscilační frekvence udává sílu chemické vazby mezi jednotlivými atomy na povrchu a vrcholovým atomem hrotu (viz obr. 1).
Nová metoda umožňuje na základě interakce hrotu mikroskopu s povrchem pevné látky ve slabě repulzivním režimu, tj. když mezi hrotem a povrchem působí odpudivá síla při maximální výchylce oscilačního hrotu, provádět cílenou záměnu jednotlivých atomů mezi hrotem a povrchem pevné látky. Přítomnost různých chemických prvků na hrotu mikroskopu a povrchu pevné látky umožňuje provádět zápis pomocí jejich cíleného přesunu na povrchu (viz obr. 2). V daném případě bylo úspěšně vytvořeno slovo Si (viz obr. 2) pomocí cílené záměny atomů cínu (světlá kolečka) za atomy na povrch křemíku (tmavá kolečka) při pokojové teplotě. Metoda byla úspěšně uplatněna i na jiné povrchy. Celý proces manipulace se dá velmi dobře reprodukovat na základě charakteristické změny interakční síly mezi hrotem a daným povrchovým atomem. Rozsáhlé počítačové simulace (viz obr. 3) umožnily detailně pochopit celý proces záměny jednotlivých atomů mezi hrotem a povrchem a významně přispěly k optimalizaci celého procesu zápisu jednotlivých atomů na povrch pevné látky.
Nová metoda komplexní atomární manipulace v principu překonává všechny zmíněné problémy, neboť umožňuje provádět atomární manipulaci na libovolném povrchu pevné látky při běžné pokojové teplotě, a to pomocí kontrolovaného zápisu předem zvoleného chemického druhu na povrch pevné látky záměnou za stávající atomy jiného chemického složení (viz obr. 2).

Obr. 2. Průběh atomárního zápisu jednotlivých atomů křemíku (tmavá kolečka) na povrchu cínu (světlá kolečka) při vytváření předem definovaného vzoru, v tomto přípoadě písmene Si

V této práci mezinárodní tým (Ósaka University, Universidad Autonóma de Madrid a Fyzikální ústav AV ČR) vzájemnou kombinací experimentů pomocí dAFM a rozsáhlých kvantově mechanických výpočtů demonstrují možnost cílené manipulace jednotlivých atomů na základě charakteristického průběhu chemických vazebných sil mezi hrotem mikroskopu a atomu na povrchu.

Obr. 3. Výsledek počítačových simulací znázorňující vývoj atomární struktury během depozice křemíku (vpravo) nebo cínu (vlevo) na povrch pevné látky

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

autor