Quan sát các nguyên tử tại rìa graphene

Sơ đồ thể hiện một đầu dò điện tử nhỏ xíu (bóng mờ màu trắng) cho phép ghi phổ đơn nguyên tử và phân biệt hai nguyên tử carbon tách biệt tại rìa graphene (màu đỏ và màu lam). Ảnh: Masanori Koshino

Tính chất điện tử của các dụng cụ nano phụ thuộc nhiều vào những cấu trúc có kích cỡ chỉ vài ba nguyên tử, cho nên việc có khả năng nhận dạng từng nguyên tử và các trạng thái điện tử của chúng đang ngày càng trở nên quan trọng khi các dụng cụ đang ngày một nhỏ dần đi. Các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản vừa thu được quang phổ điện tử từ các nguyên tử đơn carbon trong một tấm graphene, họ sử dụng một chiếc kính hiển vi điện tử có trang bị một đầu khảo sát nhỏ xíu. Không giống như các phương pháp trước đây, nó không làm hỏng mẫu vật – và có thể dùng để khảo sát cấu trúc điện tử cục bộ trong nhiều chất liệu đa dạng.

Khi các dụng cụ điện tử ngày một nhỏ hơn, các tính chất của chúng có thể rất khác so với các dụng cụ cỡ lớn. Kết quả là các dụng cụ đó cần các phương pháp mới để mô tả đặc trưng các dụng cụ ở cấp độ nguyên tử. Thí dụ, graphene (tấm carbon chỉ dày một nguyên tử) đang có triển vọng cho việc chế tạo các dụng cụ điện tử nano trong tương lai nhờ các tính chất cơ và điện tử độc đáo của nó như độ dẫn điện cực cao và sức bền ngoại hạng. Tuy nhiên, các tính chất của graphene phụ thuộc mạnh vào sự sắp xếp chính xác của các nguyên tử tại “rìa” của chất liệu trên.

Mặc dù các nhà nghiên cứu đã khảo sát graphene bằng kính hiển vi điện tử truyền và kính hiển vi quét chui hầm, nhưng họ chưa có khả năng phân tích các cấu trúc rìa với độ phân giải nguyên tử. Các kĩ thuật như chụp ảnh trường tối hình khuyên hay đo quang phổ thất thoát năng lượng electron có thể phân tích các nguyên tố ở cấp độ đơn nguyên tử nhưng việc thu được thông tin cụ thể về từng nguyên tử nhẹ, như carbon, là thật khó vì các chùm năng lượng cao dùng trong những phương pháp này luôn làm hỏng mẫu vật đang phân tích.

Các cấu trúc liên kết

Kazu Suenaga và các đồng nghiệp tại AIST ở Tsukuba vừa khắc phục được trở ngại này bằng cách sử dụng một kính hiển vi điện tử điện áp thấp để thu thập quang phổ thất thoát electron từ các đơn nguyên tử tại ranh giới graphene. Từ đó, các nhà nghiên cứu có thể chụp ảnh trực tiếp các cấu trúc điện tử và liên kết của các nguyên tử rìa, và thậm chí còn phân biệt được giữa các nguyên tử carbon liên kết đơn, liên kết đôi, và liên kết ba.

“Các phương pháp đo phổ như vậy trước đây có xu hướng làm hỏng mẫu vật trước khi thu được phổ cần thiết do điện áp gia tốc cao cấp cho các đầu dò nhỏ xíu kích cỡ chừng 0,1 nm”, Suenaga giải thích. “Chúng tôi đã khai thác cơ sở quang học điện tử mới dựa trên cái gọi là bộ hiệu chỉnh quang sai để chế tạo một đầu dò có cùng kích cỡ mà không cần tăng điện áp gia tốc lên hơn 60 kV”. Giá trị điện áp này dưới mức năng lượng thiết yếu mà người ta dự đoán sẽ làm hỏng mất các nguyên tử carbon.

Kĩ thuật trên cho phép đội nghiên cứu phân biệt giữa các nguyên tử carbon phản ứng và không phản ứng trong một mẫu graphene. “Nó sẽ cho phép chúng ta phát hiện ra các vị trí phản ứng mạnh nhất trong từng phân tử một, và vì thế giúp dự đoán xem các phân tử lớn, như protein chẳng hạn, sẽ phản ứng như thế nào”, Suenaga nói.

Các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục sử dụng kĩ thuật quang phổ của họ để mô tả đặc trưng các nguyên tố khác ngoài carbon ra. “Tôi đã lao vào cố gắng phân biệt cấu trúc điện tử của các nguyên tử silicon trong các dụng cụ quang điện”, Suenaga tiết lộ.

Các bạn có thể tham khảo thêm về công trình này tại Nature doi:10.1038/nature09664.

Theo physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Downlaod video thí nghiệm

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Tesla vs Edison: những bài học từ cuộc chiến AC/DC
20/08/2018
James McKenzie (Physics World, tháng 8/2018) Trong bài, James McKenzie làm sáng tỏ những điều chúng ta có thể học được từ “cuộc
Phi thuyền Parker của NASA sẽ ‘chạm’ đến Mặt Trời
15/08/2018
NASA vừa phóng một phi thuyền lên nghiên cứu khí quyển Mặt Trời và gió mặt trời. Tàu vũ trụ Parker Solar Probe đã cất cánh
Ngưng tụ Bose-Einstein
07/08/2018
Trong số năm trạng thái mà vật chất có thể tồn tại, có lẽ ngưng tụ Bose-Einstein là trạng thái bí ẩn nhất. Trong khi thể
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 16)
31/07/2018
Các lớp vỏ con electron Theo phương trình đã nêu ở phần trước thì các electron thuộc cùng một lớp vỏ có năng lượng y hệt
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 15)
30/07/2018
Tính các mức năng lượng Khi phân tích quang phổ, các nhà vật lí thường phải tính các mức năng lượng gần đúng của electron
Lỗ đen thật ra có thể là lỗ sâu đục đang va chạm
14/07/2018
Khi hai lỗ sâu đục va chạm nhau, chúng tạo ra những gợn lăn tăn trong không-thời gian lan tỏa ra mọi phía. Theo một nghiên cứu
Phải chăng các nhà thiên văn đã tìm thấy khối lượng mất tích của vũ trụ?
10/07/2018
Vào thập niên 1960, các nhà thiên văn bắt đầu để ý thấy Vũ trụ dường như thiếu mất một phần khối lượng. Giữa các quan
Vì sao một số vết nứt đẩy nhau ra?
22/06/2018
Một nghiên cứu lí thuyết về sự lan truyền vết nứt đem lại một lời giải thích cho sự đẩy nhau mà người ta quan sát thấy

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com