Een afgestudeerde student van de Universiteit van Texas in Dallas, zijn adviseur en industriële medewerkers denken dat ze een al lang bestaand probleem hebben aangepakt dat wetenschappers en ingenieurs al meer dan 35 jaar verontrust:hoe te voorkomen dat de punt van een scanning tunneling microscoop tegen het oppervlak van een materiaal botst tijdens beeldvorming of lithografie.

Details van de oplossing van de groep verschenen in het januarinummer van het tijdschrift Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten , die wordt gepubliceerd door het American Institute of Physics.

Scanning tunneling microscopen (STM's) werken in een ultrahoog vacuüm, een sonde met fijne punt met een enkel atoom aan de top zeer dicht bij het oppervlak van een monster brengen. Als er spanning op het oppervlak wordt gezet, elektronen kunnen over de opening tussen de punt en het monster springen of tunnelen.

"Zie het als een naald die erg scherp is, atomair scherp, " zei Farid Tajaddodianfar, een afgestudeerde student werktuigbouwkunde aan de Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science. "De microscoop is als een robotarm, in staat om atomen op het monsteroppervlak te bereiken en te manipuleren."

Het probleem is, soms crasht de wolfraamtip in het monster. Als het fysiek het monsteroppervlak raakt, het kan onbedoeld de atomen herschikken of een "krater, " wat het monster zou kunnen beschadigen. Een dergelijke "tip-crash" dwingt operators vaak om de tip vele malen te vervangen, kostbare tijd verspelen.

Dr. John Randall is een adjunct-professor aan de UT Dallas en president van Zyvex Labs, een Richardson, Nanotechnologiebedrijf gevestigd in Texas, gespecialiseerd in het ontwikkelen van gereedschappen en producten die structuren atoom voor atoom fabriceren. Zyvex reikte naar Dr. Reza Moheimani, hoogleraar werktuigbouwkunde, om het probleem van de tipcrash van STM's aan te pakken. De bijzondere leerstoel van Moheimani was een geschenk van de oprichter van Zyvex, James Von Ehr MS'81, die in 2004 werd geëerd als een vooraanstaand UTD-alumnus.

"Wat ze proberen te doen, is helpen atomair nauwkeurige productie in de praktijk te brengen, " zei Randall, die samen met Tajaddodianfar het artikel schreef, James Owen van Moheimani en Zyvex Labs. "Dit wordt beschouwd als de toekomst van nanotechnologie, en het is buitengewoon belangrijk werk."

Randall zei dat een dergelijke nauwkeurige productie tot een groot aantal innovaties zal leiden.

"Door atoom voor atoom structuren te bouwen, je bent in staat om nieuwe, buitengewone materialen, " zei Randall, die medevoorzitter is van het Industry Engagement Committee van de Jonsson School. "We kunnen onzuiverheden verwijderen en materialen sterker en hittebestendiger maken. We kunnen kwantumcomputers bouwen. Het zou de kosten radicaal kunnen verlagen en de mogelijkheden op het gebied van geneeskunde en andere gebieden uitbreiden. Bijvoorbeeld, als we DNA beter kunnen begrijpen op atomair en moleculair niveau, dat zal ons helpen om de gezondheidszorg te verfijnen en af ​​te stemmen op de behoeften van de patiënt. De mogelijkheden zijn eindeloos."

In aanvulling, Moheimani, een regeltechnicus en expert in nanotechnologie, zei dat wetenschappers proberen om met behulp van deze technologie transistors en kwantumcomputers te bouwen van een enkel atoom.

"Er is een internationale race om machines te bouwen, apparaten en 3D-apparatuur vanaf het atoom, " zei Moheimani, de James Von Ehr Distinguished Chair in Wetenschap en Technologie.

'Het is een grote, Groot probleem'

Randall zei dat Zyvex Labs veel tijd en geld heeft besteed aan het proberen te begrijpen wat er met de tips gebeurt als ze crashen.

"Het is een grote, groot probleem, "Zei Randall. "Als je de tip niet kunt beschermen, je gaat niets bouwen. Je verspilt je tijd."

Tajaddodianfar en Moheimani zeiden dat het probleem de controller is.

"Er zit een feedbackcontroller in de STM die de stroom meet en de naald op en neer beweegt, " zei Moheimani. "Je gaat van het ene atoom naar het andere, over een oneffen oppervlak. Het is niet plat. Daarom, de afstand tussen het monster en de tip verandert, net als de stroom tussen hen. Terwijl de controller de tip op en neer probeert te bewegen om de stroom te behouden, het reageert niet altijd goed, noch regelt het de tip correct. De resulterende beweging van de punt is vaak onstabiel."

Het is de feedbackcontroller die er niet in slaagt om de tip te beschermen tegen crashen in het oppervlak, zei Tajaddodianfar.

"Als de elektronische eigenschappen over het monsteroppervlak variabel zijn, de tip is meer vatbaar voor crashen onder conventionele controlesystemen, "zei hij. "Het is echt bedoeld, echt scherp. Maar wanneer de punt in het monster crasht, het breekt, krult naar achteren en wordt plat.

"Zodra de punt in het oppervlak valt, laat maar. Alles veranderd."

De oplossing

Volgens Randall, Tajaddodianfar nam logische stappen om de oplossing te creëren.

"Het briljante van Tajaddodianfar is dat hij naar het probleem keek en de fysica begreep van de tunneling tussen de punt en het oppervlak, dat er een kleine elektronische barrière is die de snelheid van tunnelen regelt, "Zei Randall. "Hij bedacht een manier om die lokale barrièrehoogte te meten en de versterking op het controlesysteem aan te passen die aantoonbaar de tip uit de problemen houdt. Zonder het, de tip hobbelt gewoon mee, in de oppervlakte vallen. Nutsvoorzieningen, het past zich direct aan de regelparameters aan."

Moheimani zei dat de groep hoopt hun traject te veranderen als het gaat om het bouwen van nieuwe apparaten.

"Dat is het volgende voor ons. We gingen op zoek naar de oorzaak van dit probleem, en dat hebben we gedaan. En, we hebben een oplossing bedacht. Het is net als al het andere in de wetenschap:de tijd zal leren hoe impactvol ons werk zal zijn, "Zei Moheimani. "Maar ik denk dat we het grote probleem hebben opgelost."