مشاهده اتم‌ها در لبه گرافن

خواص الکترونیکی نانوافزاره‌ها قویاً به ساختارهایی که اندازه آنها در حد فقط چند اتم است، بستگی دارد؛ بنابراین با کوچک شدن افزاره‌ها، توانایی برای شناسایی اتم‌های منفرد و حالت‌های الکترونیکی‌شان به طور فزاینده‌ای مهم می‌شود. اکنون محققان در ژاپن با استفاده از یک میکروسکوپ الکترونی مجهز به یک کاوشگر ریز، طیف‌های الکترونیکی از اتم‌های کربن منفرد در یک صفحه گرافن بدست آورده‌اند. بر خلاف روش‌های قبلی، این روش به نمونه‌ها آسیب نمی‌رساند و می‌توان آن را برای بررسی ساختار الکترونیکی موضعی در مواد متنوعی استفاده کرد.

خواص الکترونیکی نانوافزاره‌ها قویاً به
ساختارهایی که اندازه آنها در حد فقط چند اتم است، بستگی دارد؛ بنابراین با
کوچک شدن افزاره‌ها، توانایی برای شناسایی اتم‌های منفرد و حالت‌های
الکترونیکی‌شان به طور فزاینده‌ای مهم می‌شود. اکنون محققان در ژاپن با
استفاده از یک میکروسکوپ الکترونی مجهز به یک کاوشگر ریز، طیف‌های
الکترونیکی از اتم‌های کربن منفرد در یک صفحه گرافن بدست آورده‌اند. بر
خلاف روش‌های قبلی، این روش به نمونه‌ها آسیب نمی‌رساند و می‌توان آن را
برای بررسی ساختار الکترونیکی موضعی در مواد متنوعی استفاده کرد.
دیاگرامی که نشان می‌دهد که چگونه یک کاوشگر الکترونی ریز (سایه‌های سفید) قادر به
طیف‌بینی اتم منفرد است و دو اتم کربن مجزا در کناره گرافن (قرمز و آبی) را شناسایی
می‌کند.
گرافن بواسطه رسانایی الکتریکی بی‌نهایت
بالا و استحکام استثنایی‌اش، برای ساخت افزاره‌های نانوالکترونیکی آینده
نویدبخش است. با این حال خواص گرافن به شدت به ترتیب دقیق اتم‌ها در
کناره‌هایش وابسته است.

اگرچه محققان قبلاً با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری و میکروسکوپ
تونل‌زن پیمایشگر گرافن را مورد بررسی قرار داده‌اند، اما تاکنون قادر به
آنالیز ساختارهای کناره با دقت اتمی نشده‌اند. تکنیک‌هایی از قبیل
تصویربرداری میدان تاریک زاویه‌ای یا طیف‌بینی اتلاف انرژی الکترونی را
می‌توان برای آنالیز عناصر در سطح اتم‌های منفرد استفاده کرد، اما
بدست‌آوردن اطلاعات جزئی در مورد اتم‌های سبک منفردی مانند کربن مشکل است،
زیرا پرتوهای انرژی بالایی که در این روش استفاده می‌شود، بطور
تغییرناپذیری به نمونه‌ها آسیب می‌رساند.

کازو سواناگا و همکارانش در AIST اکنون بر این مشکل غلبه کرده‌اند و با
استفاده از میکروسکوپ الکترونی ولتاژ پایین، طیف‌های اتلاف – انرژی از
اتم‌های منفرد در مرز یک صفحه گرافن را جمع‌آوری کرده‌اند. بنابراین این
محققان قادر به تصویربرداری مستقیم از ساختارهای پیوندی و الکترونیکی
اتم‌های کناره و حتی تمییز بین اتم‌های کربن یک، دو و سه پیوندی شدند.

سواناگا توضیح می‌دهد که قبلاً چنین روش‌های طیف‌بینی پیش از اینکه طیف‌ها
بدست آیند، منجر به تخریب نمونه‌ها می‌شدند، زیرا برای کاوشگرهای ریز در حد
یک دهم نانومتر، ولتاژهای شتاب‌دهنده بالایی لازم بود. ما از چشم‌های
الکترونی بر اساس تصحیح‌کننده‌های انحراف بهره جستیم و کاوشگرهایی با همان
اندازه ساخته‌ایم که ولتاژ شتاب‌دهنده مورد نیاز آنها بالاتر ۶۰ کیلوولت
نیست.

این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Nature منتشر
کرده‌اند.