Uno studente laureato dell'Università del Texas a Dallas, il suo consulente e collaboratori del settore ritengono di aver affrontato un problema di lunga data che preoccupa scienziati e ingegneri da oltre 35 anni:come evitare che la punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel si schianti contro la superficie di un materiale durante l'imaging o la litografia.

I dettagli della soluzione del gruppo sono apparsi nel numero di gennaio della rivista Rassegna di strumenti scientifici , pubblicato dall'American Institute of Physics.

I microscopi a scansione tunnel (STM) operano in un vuoto ultra spinto, portando una sonda a punta fine con un singolo atomo al suo apice molto vicino alla superficie di un campione. Quando la tensione viene applicata alla superficie, gli elettroni possono saltare o scavare attraverso lo spazio tra la punta e il campione.

"Pensalo come un ago molto affilato, atomicamente tagliente, " disse Farid Tajaddodianfar, uno studente laureato in ingegneria meccanica presso la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science. "Il microscopio è come un braccio robotico, in grado di raggiungere gli atomi sulla superficie del campione e manipolarli."

Il problema è, a volte la punta in tungsteno va a sbattere contro il campione. Se tocca fisicamente la superficie del campione, può inavvertitamente riorganizzare gli atomi o creare un "cratere, " che potrebbe danneggiare il campione. Tale "urto della punta" costringe spesso gli operatori a sostituire la punta più volte, perdendo tempo prezioso.

Il dottor John Randall è professore a contratto presso UT Dallas e presidente di Zyvex Labs, un Richardson, Azienda di nanotecnologie con sede in Texas specializzata nello sviluppo di strumenti e prodotti che fabbricano strutture atomo per atomo. Zyvex ha contattato il dottor Reza Moheimani, professore di ingegneria meccanica, per aiutare a risolvere il problema dell'arresto anomalo della punta degli STM. La sedia dotata di Moheimani è stata un regalo del fondatore di Zyvex James Von Ehr MS'81, che è stato premiato come illustre alumno UTD nel 2004.

"Quello che stanno cercando di fare è aiutare a realizzare una produzione atomicamente precisa, "disse Randall, che ha scritto l'articolo con Tajaddodianfar, James Owen di Moheimani e Zyvex Labs. "Questo è considerato il futuro della nanotecnologia, ed è un lavoro estremamente importante."

Randall ha affermato che una produzione così precisa porterà a una serie di innovazioni.

"Costruendo strutture atomo per atomo, sei in grado di creare nuovi, materiali straordinari, "disse Randall, che è co-presidente dell'Industry Engagement Committee della Jonsson School. "Possiamo rimuovere le impurità e rendere i materiali più forti e resistenti al calore. Possiamo costruire computer quantistici. Potrebbe ridurre drasticamente i costi ed espandere le capacità in medicina e in altre aree. Ad esempio, se riusciamo a capire meglio il DNA a livello atomico e molecolare, che ci aiuterà a mettere a punto e personalizzare l'assistenza sanitaria in base alle esigenze dei pazienti. Le possibilità sono infinite."

Inoltre, Moheimani, un ingegnere di controllo ed esperto di nanotecnologie, ha detto che gli scienziati stanno tentando di costruire transistor e computer quantistici da un singolo atomo utilizzando questa tecnologia.

"C'è una corsa internazionale per costruire macchine, dispositivi e apparecchiature 3-D dall'atomo in su, " disse Moheimani, la James Von Ehr Distinguished Chair in Science and Technology.

'È un grande, Grande problema'

Randall ha affermato che Zyvex Labs ha speso molto tempo e denaro per cercare di capire cosa succede alle punte quando si bloccano.

"È un grande, grande problema, " Randall ha detto. "Se non puoi proteggere la punta, non costruirai niente. Stai sprecando il tuo tempo."

Tajaddodianfar e Moheimani hanno affermato che il problema è il controller.

"C'è un controller di feedback nell'STM che misura la corrente e sposta l'ago su e giù, " disse Moheimani. "Ti sposti da un atomo all'altro, su una superficie irregolare. Non è piatto. A causa di ciò, la distanza tra il campione e la punta cambia, così come la corrente tra di loro. Mentre il controller cerca di spostare la punta su e giù per mantenere la corrente, non sempre risponde bene, né regola correttamente la punta. Il movimento risultante della punta è spesso instabile."

È il controller di feedback che non riesce a proteggere la punta dall'urto contro la superficie, ha detto Tajaddodianfar.

"Quando le proprietà elettroniche sono variabili sulla superficie del campione, la punta è più soggetta a schiantarsi con i sistemi di controllo convenzionali, " ha detto. "Deve essere davvero, davvero acuto. Ma quando la punta si schianta contro il campione, si rompe, si arriccia all'indietro e si appiattisce.

"Una volta che la punta si schianta sulla superficie, Dimenticalo. Tutto cambia."

La soluzione

Secondo Randall, Tajaddodianfar ha adottato misure logiche per creare la soluzione.

"La genialità di Tajaddodianfar è che ha esaminato il problema e ha compreso la fisica del tunneling tra la punta e la superficie, che c'è una piccola barriera elettronica che controlla la velocità di tunneling, "Ha detto Randall. "Ha trovato un modo per misurare l'altezza della barriera locale e regolare il guadagno sul sistema di controllo che dimostrabilmente mantiene la punta fuori dai guai. Senza esso, la punta sbatte appena avanti, schiantarsi contro la superficie. Ora, si adatta ai parametri di controllo al volo."

Moheimani ha detto che il gruppo spera di cambiare la propria traiettoria quando si tratta di costruire nuovi dispositivi.

"Questa è la prossima cosa per noi. Abbiamo deciso di trovare la fonte di questo problema, e l'abbiamo fatto. E, abbiamo trovato una soluzione. È come tutto il resto nella scienza:il tempo dirà quanto sarà importante il nostro lavoro, " ha detto Moheimani. "Ma penso che abbiamo risolto il grosso problema".