На острие алмазной иглы

• Тигран Оганесян

Группа физиков из Японии, Испании и Чехии разработала новый тип атомного силового микроскопа (АСМ), позволяющего определять химическую принадлежность отдельных атомов на поверхности исследуемых материалов при комнатной температуре.

Напомним, что в 1982 году швейцарские физики Генрих Рорер и Герд Бининг из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе построили прибор нового типа, названный сканирующим туннельным микроскопом (СТМ; в 1986 г. за это изобретение ученые были удостоены Нобелевской премии по физике). Сканирующий туннельный микроскоп, основанный на т. н. туннельном эффекте, позволил ученым не только исследовать рельеф поверхности физических тел на атомном уровне, но и распознавать атомы различных химических элементов. Сфера его применения, однако, ограничивалась материалами, проводящими электрический ток (проводниками и полупроводниками).

Уже в 1985-м Бининг вместе с исследователем из Стэнфордского университета (Пало-Альто, Калифорния) Келвином Куэйтом создали микроскоп следующего поколения — атомно-силовой (АСМ), принцип работы которого базировался на использовании сил межатомных связей (на малых — до 0,1 нм — расстояниях между атомами действуют силы отталкивания, а на больших — притяжения). АСМ не требует, чтобы исследуемые образцы были проводящими, поэтому он позволяет изучать свойства практически любых материалов. Отдельные атомы на поверхности исследуемого материала притягивают или отталкивают острие зонда АСМ (как правило, в качестве такового используется алмазная игла), движущегося над ним, и величина отклонения зонда дает информацию о рельефе поверхности.

Но в отличие от сканирующего туннельного микроскопа атомно-силовой до сих пор не был заточен на эффективное химическое распознавание атомов сложных структур. Хотя соотношения отклонения зонда и расстояния от него до поверхности различаются для атомов различных химических элементов, «узнавать» атомы при помощи АСМ удавалось лишь с образцами, охлажденными до экстремально низких температур. При повышении же температур проявлялись различные побочные эффекты на исследуемой поверхности и дополнительные колебания острия иглы.

Благодаря методике высокоточной калибровки, разработанной Йосиаки Сугимото, Оскаром Кустансе и их коллегами в лабораториях Университета Осаки, «температурный барьер» был наконец преодолен. Накопив экспериментальные данные об абсолютных величинах отклонений острия сканирующей иглы, ученые получили многочисленные кривые распределения силы-расстояния. Дальнейший анализ этих кривых позволил выявить относительные величины отклонений, типичные для атомов различных химических элементов и не зависящие от внешних факторов.