Атомный силовой микроскоп (atomic force microscope, AFM) был изобретен более 20 лет назад. Он широко используется для получения изображения различных поверхностей с атомарным разрешением и даже для манипуляции отдельными атомами.

В динамическом («бесконтактном») режиме острая игла AFM крепится к концу гибкого кантилевера, колеблющегося в перпендикулярном поверхности направлении. Сила, действующая на иглу со стороны поверхностных атомов, приводит к изменению резонансной частоты, которая измеряется с очень высокой точностью.

Компьютерная обработка получаемых при этом данных и позволяет в конечном итоге нарисовать трехмерную карту поверхности. В отличие от своего собрата – сканирующего туннельного микроскопа – AFM способен «разглядеть» атомы не только на проводящих, но и на диэлектрических поверхностях. А вот чего AFM не может – так это различить атомы разных химических элементов, то есть распознать их «химическую принадлежность».

Дело в том, что сила, действующая на иглу, зависит не только от типа атома, а еще и от конкретной атомной конфигурации ее кончика (см. рис.1), которая никогда достоверно не известна.

Рис. 1. Игла AFM сканирует поверхность

В работе [1] коллектива из Японии, Испании и Чехии предложена методика, позволяющая определить тип атома посредством AFM. Идея заключается в следующем. Если абсолютная величина максимальной силы F, действующей на иглу AFM со стороны того или иного атома зависит от конструкции острия, то ее относительная величина практически одна и та же для разных иголок. Это было продемонстрировано как экспериментально (для различных атомов на поверхности кремния), так и путем расчетов. Оказалось, в частности, что FM/FSi = 0.77 ± 0.02, 0.59 ± 0.03 и 0.72 ± 0.04 для M = Sn, Pb и In соответственно.

Рис. 2. Диаграмма распределения силы, действующей на иглу AFM, для «поверхностного сплава» Si/Sn/Pb

Исследование «поверхностного сплава» из атомов Si, Sn и Pb показало, что, действительно, распределение FМ/FSi представляет собой три четко различимых пика, отвечающих атомам разного сорта (см. рис. 2). Таким образом, «откалибровав» AFM один раз на известных системах, можно впоследствии использовать его для определения не только атомного строения, но и химического состава различных поверхностей.

Это очень пригодится при разработке новых полупроводниковых нанотехнологий. Пока, правда, не вполне ясно, любые ли атомы AFM окажется в состоянии различить. Ведь может статься, что для каких-то элементов «нормированные силы» окажутся одинаковыми в пределах погрешности.