Fyzikální ústav Akademie věd ČR

Tým vědců z Fyzikálního ústavu AV ČR a z Universidad Autonóma de Madrid (Španělsko) zásadním způsobem přispěl k pochopení atomárně rozlišených obrázků grafénu a uhlíkových nanotrubiček, získaných pomocí rastrovacích mikroskopů. Výsledky byly publikovány v prestižním časopise Physical Review Letters. O významu článku svědčí fakt, že o něm vyšla podrobná informace v poslední vydání časopisu Physics v rubrice Viewpoint, která si klade za cíl upozornit na nejdůležitější práce publikované v časopisech American Physical Society. Prof. Eric I. Altman z Yale University, USA ve své obšírné stati vyzdvihuje skutečnost, že počítačové simulace mezinárodního týmu otevírají zcela nové možnosti při optimalizaci samotných experimentů, prováděných pomocí rastrovacích mikroskopů. Dle jeho slov výše uvedená práce ukazuje, že teorie a počítačové simulace dospěly dnes do situace, že jsou schopny přesně modelovat chemické a fyzikální interakce zodpovědné za vytvoření kontrastu obrazu rastrovacího mikroskopu. Kombinace experimentu s teoretickými výpočty zahajuje novou éru rastrovací mikroskopie, kdy bude možné detailně zkoumat specifické chemické a fyzikální vlastnosti materiálů na atomární úrovni.

Uhlíkové materiály jako fullereny (to jsou molekuly složené jenom z uhlíku, které se zformovaly do tvarů koule, elipsoidu či trubky) nebo samotný grafén (rovinná síť jedné vrstvy atomů uhlíku) se staly v poslední době, díky svým zajímavým materiálovým vlastnostem a předpokládaným aplikacím v nanotechnologiích, předmětem intenzivního zájmu fyziků, chemiků, ale i biologů. Není náhodou, že Nobelova cena za fyziku pro rok 2010 byla udělena A. Geimovi a K. Novoselovi právě za objev grafénu.

Další studium i budoucí technologické aplikace uhlíkových materiálů jsou podmíněny hlubším pochopením fyzikálních a chemických procesů na atomární úrovni. Studium atomární a elektronové struktury materiálů přímým pozorováním umožnil objev rastrovacích mikroskopů před 30 lety (Nobelova cena za fyziku G. Binnigovi a H. Rohrerovi v roce 1986). Přestože dosažení atomárního rozlišení obrazu rastrovacího mikroskopu na grafitu je poměrně rutinní záležitostí, přesné určení poloh jednotlivých atomů uhlíku tvořících grafén je velmi obtížné. Není totiž zřejmé, kdy se jako místa s maximálním tunelovým proudem (v rastrovacím tunelovém mikroskopu - STM) nebo jako místa s největší interakční silou (v mikroskopu atomárních sil - AFM) zobrazí uhlíkové atomy a kdy prázdná místa mezi atomy (viz. obr. 1a-c).

Mezinárodní tým vědců provedl detailní teoretickou analýzu atomárně rozlišených obrazů získaných pomocí mikroskopu STM a mikroskopu AFM uhlíkových materiálů. Autoři provedli rozsáhlé numericky náročné výpočty z prvních principů, ve kterých simulovali interakci povrchu uhlíkového materiálu (grafénové vrstvy nebo uhlíkové nanotrubičky) s různými typy hrotu představujícího sondu STM nebo AFM. Vědci přitom určovali sílu, působící mezi uhlíkovým povrchem a hrotem, případně elektrickou vodivost tunelového přechodu, v závislosti na poloze a hrotu. Výsledky ukázaly, že různé druhy atomárního kontrastu, pozorované v experimentálních měřeních je možné vysvětlit různou chemickou reaktivitou hrotu, použitého pro zobrazování, a různou vzdáleností mezi hrotem a zobrazovaným povrchem (viz. obr. 1d). Tato studie navíc prokázala, že atomární kontrast pozorovaný mikroskopem atomárních sil v nekontaktním módu na uhlíkových strukturách není způsoben van der Waalsovou silou, jak se dosud předpokládalo, ale krátkodosahovou silou vyvolanou tvorbou chemické vazby mezi jednotlivými atomy studovaného materiálu a hrotem mikroskopu.

Obr. 1: a)-c) znázorňuje schematicky možné typy atomárně rozlišených obrazů grafénu získané rastrovacím mikroskopem, d) jsou výsledky počítačových simulací kontrastu mikroskopického obrazu grafénu pro různé modely hrotů mikroskopu atomárních sil a různé vzdálenosti mezi hrotem a povrchem.

Převážná část počítačových simulací byla provedena na výkonném počítačovém klastru SGI® Altix® ICE 8200 ve Fyzikálního ústavu AV ČR. Práce českých vědců byla podporována Grantovou Agenturou České Republiky a Programem na podporu projektů mezinárodní spolupráce AV ČR.

zdroj:
Martin Ondráček, Pablo Pou, Vít Rozsíval, Cesar González, Pavel Jelínek, and Rubén Pérez, "Forces and currents in carbon nanostructures: Are we imaging atoms?" Physical Review Letters (Vol.106, No.17)
URL: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.106.176101
DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.176101

Eric.I. Altman “Proper carbon ID required”
Physics 4, 34 (2011)
URL: http://physics.aps.org/articles/v4/34
DOI: 10.1103/Physics.4.34

kontaktní osoby:

Martin Ondráček
Pavel Jelínek