Atoomkrachtmicroscopie (AFM) is een uiterst gevoelige techniek die ons in staat stelt om materialen af ​​te beelden en/of hun fysieke eigenschappen op atomaire schaal te karakteriseren door de kracht boven materiaaloppervlakken te voelen met behulp van een nauwkeurig gecontroleerde punt. Echter, conventionele AFM levert alleen de oppervlaktenormale component van de kracht (de Z-richting) en negeert de componenten evenwijdig aan het oppervlak (de X- en Y-richtingen). Om materialen die worden gebruikt in apparaten op nanoschaal volledig te karakteriseren, het is noodzakelijk om informatie over parameters met directionaliteit te verkrijgen, zoals elektronische, magnetisch, en elastische eigenschappen, in meer dan alleen de Z-richting. Dat is, het is wenselijk om deze parameters ook in de X- en Y-richtingen evenwijdig aan het oppervlak van een materiaal te meten. Het meten van de verdeling van dergelijke materiaalparameters op atomaire schaal zal ons begrip van chemische samenstelling en reacties vergroten, oppervlakte morfologie, moleculaire manipulatie, en nanomachinewerking.

Een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Osaka heeft onlangs een op AFM gebaseerde benadering ontwikkeld, "bimodale AFM" genaamd, om informatie te verkrijgen over materiaaloppervlakken in de X, ja, en Z-richtingen (dat wil zeggen, in drie dimensies) op subatomaire schaal. De onderzoekers maten de totale kracht tussen een AFM-tip en het materiaaloppervlak in de X, ja, en Z-richtingen met gebruik van een germanium (Ge) oppervlak als substraat. Hun samenwerkingspartner, het Instituut voor Natuurkunde van de Slowaakse Academie van Wetenschappen, bijgedragen computersimulaties van de tip-oppervlak interacties. De bimodale AFM-aanpak werd onlangs gerapporteerd in Natuurfysica .

"Een schoon Ge(001)-oppervlak heeft afwisselend uitgelijnde anisotrope dimeren, die over de trede 90° worden gedraaid, wat betekent dat ze een structuur met twee domeinen vertonen, " legt eerste auteur Yoshitaka Naitoh uit. "We hebben de krachtvelden van elk domein in verticale richting onderzocht door de AFM-tip te oscilleren bij de buigresonantiefrequentie en in de parallelle richting door deze te oscilleren bij de torsie."

Het team drukte eerst de krachtcomponenten uit als vectoren, het verschaffen van de vectorverdeling boven het oppervlak op subatomaire schaal. De computersimulatie ondersteunde de experimentele resultaten en wierp licht op de aard van chemische tipbeëindiging en morfologie en, vooral, hielp bij het verduidelijken van de openstaande vragen met betrekking tot de tip-oppervlakte-afstanden in het experiment.

"We hebben de grootte en richting van de kracht tussen de AFM-tip en het Ge-oppervlak op subatomaire schaal in drie dimensies gemeten, ", zegt Naitoh. "Dergelijke metingen zullen helpen om de structuur en chemische reacties van gefunctionaliseerde oppervlakken te begrijpen."

De ontwikkelde bimodale AFM-aanpak zal onderzoekers in staat stellen de fysische eigenschappen van materialen op nanoschaal nader te onderzoeken, die de ontwikkeling van apparaten moeten vergemakkelijken, nanotechnologie, en frictie-/smeersystemen.