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
