La microscopie à force atomique (AFM) est une technique extrêmement sensible qui nous permet d'imager des matériaux et/ou de caractériser leurs propriétés physiques à l'échelle atomique en détectant la force au-dessus des surfaces des matériaux à l'aide d'une pointe contrôlée avec précision. Cependant, L'AFM conventionnel ne fournit que la composante normale à la surface de la force (la direction Z) et ignore les composantes parallèles à la surface (les directions X et Y). Pour caractériser complètement les matériaux utilisés dans les dispositifs nanométriques, il est nécessaire d'obtenir des informations sur les paramètres avec directivité, comme l'électronique, magnétique, et propriétés élastiques, dans plus que la direction Z. C'est-à-dire, il est également souhaitable de mesurer ces paramètres dans les directions X et Y parallèlement à la surface d'un matériau. La mesure de la distribution de ces paramètres matériels à l'échelle atomique augmentera notre compréhension de la composition chimique et des réactions, morphologie des surfaces, manipulation moléculaire, et le fonctionnement des nanomachines.

Un groupe de recherche de l'Université d'Osaka a récemment développé une approche basée sur l'AFM appelée « AFM bimodale » pour obtenir des informations sur les surfaces des matériaux dans le X, Oui, et les directions Z (c'est-à-dire en trois dimensions) à l'échelle subatomique. Les chercheurs ont mesuré la force totale entre une pointe AFM et la surface du matériau dans le X, Oui, et les directions Z en utilisant une surface de germanium (Ge) comme substrat. Leur partenaire collaboratif, l'Institut de physique de l'Académie slovaque des sciences, contribué à des simulations informatiques des interactions pointe-surface. L'approche AFM bimodale a été récemment rapportée dans Physique de la nature .

"Une surface Ge(001) propre a des dimères anisotropes alignés alternativement, qui sont tournés de 90° à travers la marche, ce qui signifie qu'ils montrent une structure à deux domaines, " explique le premier auteur Yoshitaka Naitoh. "Nous avons sondé les champs de force de chaque domaine dans le sens vertical en faisant osciller la pointe de l'AFM à la fréquence de résonance de flexion et dans le sens parallèle en l'oscillant à la torsion."

L'équipe a d'abord exprimé les composantes de la force sous forme de vecteurs, fournissant la distribution vectorielle au-dessus de la surface à l'échelle subatomique. La simulation informatique a soutenu les résultats expérimentaux et a fait la lumière sur la nature de la terminaison chimique et de la morphologie de la pointe et, en particulier, a aidé à clarifier les questions en suspens concernant les distances pointe-surface dans l'expérience.

"Nous avons mesuré l'amplitude et la direction de la force entre la pointe de l'AFM et la surface du Ge à une échelle subatomique en trois dimensions, " dit Naitoh. " De telles mesures aideront à comprendre la structure et les réactions chimiques des surfaces fonctionnalisées. "

L'approche AFM bimodale développée permettra aux chercheurs d'étudier plus en détail les propriétés physiques des matériaux à l'échelle nanométrique, qui devrait faciliter le développement de dispositifs, nanotechnologie, et les systèmes de friction/lubrification.