Un étudiant diplômé de l'Université du Texas à Dallas, son conseiller et ses collaborateurs de l'industrie pensent avoir résolu un problème de longue date qui préoccupe les scientifiques et les ingénieurs depuis plus de 35 ans :comment empêcher la pointe d'un microscope à effet tunnel de s'écraser sur la surface d'un matériau pendant l'imagerie ou la lithographie.
Les détails de la solution du groupe ont été publiés dans le numéro de janvier du journal Examen des instruments scientifiques , qui est publié par l'American Institute of Physics.
Les microscopes à effet tunnel (STM) fonctionnent sous ultra-vide, amener une sonde à pointe fine avec un seul atome à son sommet très près de la surface d'un échantillon. Lorsqu'une tension est appliquée à la surface, les électrons peuvent sauter ou creuser un tunnel à travers l'espace entre la pointe et l'échantillon.
"Pensez-y comme une aiguille très pointue, atomiquement pointu, " dit Farid Tajaddodianfar, un étudiant diplômé en génie mécanique à l'École d'ingénierie et d'informatique Erik Jonsson. "Le microscope est comme un bras robotique, capable d'atteindre les atomes à la surface de l'échantillon et de les manipuler.
Le problème est, parfois la pointe de tungstène s'écrase dans l'échantillon. S'il touche physiquement la surface de l'échantillon, il peut réarranger par inadvertance les atomes ou créer un « cratère, " qui pourrait endommager l'échantillon. Un tel "crash de pointe" oblige souvent les opérateurs à remplacer la pointe plusieurs fois, perdre un temps précieux.
Le Dr John Randall est professeur adjoint à l'UT Dallas et président de Zyvex Labs, un Richardson, Entreprise de nanotechnologie basée au Texas, spécialisée dans le développement d'outils et de produits permettant de fabriquer des structures atome par atome. Zyvex a contacté le Dr Reza Moheimani, professeur de génie mécanique, pour aider à résoudre le problème de plantage de la pointe des STM. La chaise dotée de Moheimani était un cadeau du fondateur de Zyvex James Von Ehr MS'81, qui a été honoré en tant qu'ancien élève distingué de l'UTD en 2004.
"Ce qu'ils essaient de faire, c'est d'aider à concrétiser une fabrication de précision atomique, " dit Randall, qui a co-écrit l'article avec Tajaddodianfar, James Owen de Moheimani et Zyvex Labs. « Ceci est considéré comme l'avenir de la nanotechnologie, et c'est un travail extrêmement important."
Randall a déclaré qu'une fabrication aussi précise conduira à une multitude d'innovations.
"En construisant des structures atome par atome, vous êtes capable de créer de nouveaux, matériaux extraordinaires, " dit Randall, qui est coprésident du comité d'engagement de l'industrie de la Jonsson School. "Nous pouvons éliminer les impuretés et rendre les matériaux plus solides et plus résistants à la chaleur. Nous pouvons construire des ordinateurs quantiques. Cela pourrait radicalement réduire les coûts et étendre les capacités en médecine et dans d'autres domaines. Par exemple, si nous pouvons mieux comprendre l'ADN au niveau atomique et moléculaire, qui nous aidera à affiner et à adapter les soins de santé en fonction des besoins des patients. Les possibilités sont infinies."
En outre, Moheimani, un ingénieur de contrôle et expert en nanotechnologie, ces scientifiques tentent de construire des transistors et des ordinateurs quantiques à partir d'un seul atome en utilisant cette technologie.
"Il y a une course internationale pour construire des machines, appareils et équipements 3-D de l'atome vers le haut, " dit Moheimani, la chaire distinguée James Von Ehr en science et technologie.
'C'est un grand, Gros problème'
Randall a déclaré que Zyvex Labs a passé beaucoup de temps et d'argent à essayer de comprendre ce qui arrive aux pointes lorsqu'elles tombent en panne.
"C'est un grand, gros problème, " Randall a dit. " Si vous ne pouvez pas protéger la pointe, vous n'allez rien construire. Tu perds ton temps."
Tajaddodianfar et Moheimani ont déclaré que le problème était le contrôleur.
"Il y a un contrôleur de rétroaction dans le STM qui mesure le courant et déplace l'aiguille de haut en bas, " dit Moheimani. " Vous passez d'un atome à un autre, sur une surface inégale. Ce n'est pas plat. À cause de ça, la distance entre l'échantillon et la pointe change, tout comme le courant entre eux. Pendant que le contrôleur essaie de déplacer la pointe de haut en bas pour maintenir le courant, il ne répond pas toujours bien, il ne règle pas non plus la pointe correctement. Le mouvement de la pointe qui en résulte est souvent instable."
C'est le contrôleur de retour qui ne protège pas la pointe de s'écraser sur la surface, dit Tajaddodianfar.
"Lorsque les propriétés électroniques sont variables sur toute la surface de l'échantillon, la pointe est plus susceptible de s'écraser sous les systèmes de contrôle conventionnels, " dit-il. " C'est censé être vraiment, vraiment pointu. Mais lorsque la pointe s'écrase sur l'échantillon, ça casse, se recroqueville vers l'arrière et s'aplatit.
"Une fois que la pointe s'écrase sur la surface, oublie. Tout change."
La solution
Selon Randall, Tajaddodianfar a pris des mesures logiques pour créer la solution.
"Le génie de Tajaddodianfar est qu'il a examiné le problème et compris la physique du tunnel entre la pointe et la surface, qu'il y a une petite barrière électronique qui contrôle le taux de tunneling, " a déclaré Randall. " Il a trouvé un moyen de mesurer cette hauteur de barrière locale et d'ajuster le gain sur le système de contrôle qui garde manifestement la pointe à l'abri des ennuis. Sans ça, la pointe ne fait que cogner, s'écraser sur la surface. Maintenant, il s'adapte aux paramètres de contrôle à la volée."
Moheimani a déclaré que le groupe espère changer de trajectoire en ce qui concerne la construction de nouveaux appareils.
"C'est la prochaine chose pour nous. Nous avons entrepris de trouver la source de ce problème, et nous l'avons fait. Et, nous avons trouvé une solution. C'est comme tout le reste en science :le temps nous dira à quel point notre travail aura un impact, " Moheimani a déclaré. "Mais je pense que nous avons résolu le gros problème."
