Високорозрізнювальна польова електронна мікроскопія: спостереження атомних орбіталей

Високе розрізнення польового електронного емісійного мікроскопа, яке отримано нещодавно завдяки застосуванню високопольової методики виготовлення атомних ланцюжків, може бути використане для прямого спостереження внутріатомної електронної будови. У кріогенному мікроскопі одержано зображення просторо...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Михайловський, І., Саданов, Є., Мазілова, T., Ксенофонтов, В., Великодна, О.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2010
Назва видання:	Вісник НАН України
Теми:	Обрії науки
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/27178
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Високорозрізнювальна польова електронна мікроскопія: спостереження атомних орбіталей / І. Михайловський, Є. Саданов, Т. Мазілова, В. Ксенофонтов, О. Великодна // Вісн. НАН України. — 2010. — № 1. — С. 3-10. — Бібліогр.: 23 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-27178
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-271782011-09-28T12:17:53Z Високорозрізнювальна польова електронна мікроскопія: спостереження атомних орбіталей Михайловський, І. Саданов, Є. Мазілова, T. Ксенофонтов, В. Великодна, О. Обрії науки Високе розрізнення польового електронного емісійного мікроскопа, яке отримано нещодавно завдяки застосуванню високопольової методики виготовлення атомних ланцюжків, може бути використане для прямого спостереження внутріатомної електронної будови. У кріогенному мікроскопі одержано зображення просторових конфігурацій атомних орбіталей, що відповідають квантовим станам атома на кінці вуглецевих атомних ланцюжків. Отриманий результат демонструє можливість візуалізації основних аспектів квантової механіки і може сприяти виникненню та розвитку нових підходів у галузі нанотехнологій. A recently developed high-field technique of atomic chains preparation has made it possible to attain the ultrahigh resolution of field-emission electron microscopy, which can be used for direct imaging of the intraatomic electron structure. Application of cryogenic microscope has allowed to obtain the spatial configuration of atomic orbitals that correspond to quantized states of the end atom in free-standing carbon atomic chains. The obtained result shows the possibility to visualize the major aspects of quantum mechanics and may facilitate creation and development of new approaches in nanotechnology applications. 2010 Article Високорозрізнювальна польова електронна мікроскопія: спостереження атомних орбіталей / І. Михайловський, Є. Саданов, Т. Мазілова, В. Ксенофонтов, О. Великодна // Вісн. НАН України. — 2010. — № 1. — С. 3-10. — Бібліогр.: 23 назв. — укр. 0372-6436 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/27178 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Обрії науки Обрії науки
spellingShingle	Обрії науки Обрії науки Михайловський, І. Саданов, Є. Мазілова, T. Ксенофонтов, В. Великодна, О. Високорозрізнювальна польова електронна мікроскопія: спостереження атомних орбіталей Вісник НАН України
description	Високе розрізнення польового електронного емісійного мікроскопа, яке отримано нещодавно завдяки застосуванню високопольової методики виготовлення атомних ланцюжків, може бути використане для прямого спостереження внутріатомної електронної будови. У кріогенному мікроскопі одержано зображення просторових конфігурацій атомних орбіталей, що відповідають квантовим станам атома на кінці вуглецевих атомних ланцюжків. Отриманий результат демонструє можливість візуалізації основних аспектів квантової механіки і може сприяти виникненню та розвитку нових підходів у галузі нанотехнологій.
format	Article
author	Михайловський, І. Саданов, Є. Мазілова, T. Ксенофонтов, В. Великодна, О.
author_facet	Михайловський, І. Саданов, Є. Мазілова, T. Ксенофонтов, В. Великодна, О.
author_sort	Михайловський, І.
title	Високорозрізнювальна польова електронна мікроскопія: спостереження атомних орбіталей
title_short	Високорозрізнювальна польова електронна мікроскопія: спостереження атомних орбіталей
title_full	Високорозрізнювальна польова електронна мікроскопія: спостереження атомних орбіталей
title_fullStr	Високорозрізнювальна польова електронна мікроскопія: спостереження атомних орбіталей
title_full_unstemmed	Високорозрізнювальна польова електронна мікроскопія: спостереження атомних орбіталей
title_sort	високорозрізнювальна польова електронна мікроскопія: спостереження атомних орбіталей
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Обрії науки
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/27178
citation_txt	Високорозрізнювальна польова електронна мікроскопія: спостереження атомних орбіталей / І. Михайловський, Є. Саданов, Т. Мазілова, В. Ксенофонтов, О. Великодна // Вісн. НАН України. — 2010. — № 1. — С. 3-10. — Бібліогр.: 23 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT mihajlovsʹkijí visokorozríznûvalʹnapolʹovaelektronnamíkroskopíâsposterežennâatomnihorbítalej AT sadanovê visokorozríznûvalʹnapolʹovaelektronnamíkroskopíâsposterežennâatomnihorbítalej AT mazílovat visokorozríznûvalʹnapolʹovaelektronnamíkroskopíâsposterežennâatomnihorbítalej AT ksenofontovv visokorozríznûvalʹnapolʹovaelektronnamíkroskopíâsposterežennâatomnihorbítalej AT velikodnao visokorozríznûvalʹnapolʹovaelektronnamíkroskopíâsposterežennâatomnihorbítalej
first_indexed	2025-07-03T06:53:46Z
last_indexed	2025-07-03T06:53:46Z
_version_	1836607736395071488
fulltext	ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 1 3 Обрії науки Розроблення високопольової методики виготовлення атомних ланцюжків дало можливість досягти в польовому електронному емісійному мікроскопі (ПЕЕМ) ультрависокого розрізнення, яке допомогло авторам пропонованої публікації безпосередньо спостерігати внутріатомну електронну структуру. Застосо- вуючи кріогенний ПЕЕМ, удалося розрізнити просторові конфігурації атом- них орбіталей, що відповідають квантовим станам атома на кінці вуглецевих атомних ланцюжків. Отриманий результат демонструє можливість візуалі- зації основних аспектів квантової механіки і може сприяти появі та розвитку нових підходів у сфері нанотехнологій. І. Михайловський, Є. Саданов, T. Мазілова, В. Ксенофонтов, О. Великодна ВИСОКОРОЗРІЗНЮВАЛЬНА ПОЛЬОВА ЕЛЕКТРОННА МІКРОСКОПІЯ: СПОСТЕРЕЖЕННЯ АТОМНИХ ОРБІТАЛЕЙ © МИХАЙЛОВСЬКИЙ Ігор Михайлович. Доктор фізико-математичних наук. Провідний науковий спів- робітник Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України. САДАНОВ Євген Вікторович. Науковий співробітник тієї ж установи. МАЗІЛОВА Тетяна Іванівна. Доктор фізико-математичних наук. Старший науковий співробітник тієї ж установи. КСЕНОФОНТОВ Вячеслав Олексійович. Кандидат фізико-математичних наук. Завідувач лабораторії тієї ж установи. ВЕЛИКОДНА Ольга Олександрівна. Кандидат фізико-математичних наук. Старший науковий спів- робітник тієї ж установи (Харків). 2010. М инуле сторіччя ознаменувалося двома особливо значущими подіями в істо- рії мікроскопії — отриманням зображення окремих атомів і їх хімічною ідентифікаці- єю [1], — пов’язаними з іменем Ервіна Мюллера. У цих роботах уперше вдалося наочно продемонструвати правильність гі- потези Демокріта про існування атомів як фундаментальних елементів матерії. Сучас- ні атомістичні уявлення закладені в дослі- дженнях Дальтона на початку дев’ят над ця- того століття, у яких було встановлено роль атомів у хімічних реакціях, уведено понят- тя атомної ваги і складено першу таблицю елементів. Відкриттям у 1912 р. Максом Лауе явища інтерференції рентгенівських променів на кристалах та розробленням ме- тоду дослідження структури речовини — рентгеноструктурного ана лізу — було оста- точно підтверджено періодичну атомну структуру твердих тіл. Спроби отримати пряме зображення атома робилися протягом першої полови- ни 20-го сторіччя й увінчалися успіхом 4 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 1 17 жовтня 1955 р., коли вдалося отримати на атомному рівні зображення поверхні вольфраму в польовому іонному мікроско- пі (ПІМ) [1]. Починаючи з роботи Альбер- та Крю та ін. дослідників [2], у якій за до- помогою сканувального просвічувального елект ронного мікроскопа (ПЕМ) було роз- різнено окремі атоми торію, адсорбовані на тонкій вуглецевій плівці, електронні мікро- скопи різних типів стають незамінними ін- струментами дослідження у сфері матеріа- лознавства, новітніх технологій, медицини та біології. Новий етап у розвитку високо- розрізнювальної мікроскопії пов’язаний із розробленням Гердом Біннігом і Генріхом Рорером сканувального тунельного мікро- скопа (СТМ) [3]. На сьогодні багато моди- фікацій сканувальних зондових мікроско- пів використовують не тільки для дослі- дження атомної будови матеріалів, але й для локального аналізу різноманітних фі- зичних характеристик наноструктурних сис- тем. Нещодавні успіхи техніки корекції аберацій дали змогу збільшити розрізнен- ня просвічувальних електронних мікроско- пів до 0.5 Å й забезпечили можливість отримання висококонтрастних зображень атомної структури різних матеріалів [4, 5]. Демокріт не лише передбачив існування неподільних атомів, які створюють у різних з’єднаннях безліч речей у природі, але й вважав, що атоми відрізняються за формою та величиною [6]. Вони, як відомо, склада- ються з позитивно заряджених ядер і нега- тивно заряджених електронів, які перемі- щуються навколо ядер зі швидкістю, що становить декілька відсот ків від швидкості світла. Згідно з одним із найфундаменталь- ніших положень квантової механіки — прин- ципом невизначеності Гейзенберга, — елект- рони не можуть рухатися по чітко визначе- них орбітах. Для опису квантово-ме ха ніч- но го стану електронів в атомі Р. Міл лікен за- провадив поняття «атомної орбіталі», яке відповідає просторовому розподілу вірогід- ності перебування електрона в певній точці простору r, яку описують квадратом моду- ля хвильової функції \|Ψ(r)\|2, що є розв’язком рівняння Шредінгера. «Форму атомів», яку розуміємо як конфігурацію розподілу по- вної електронної густини, неодноразово ви- значали методами розсіювання швидких електронів і рентгенівського випроміню- вання низками атомів кристалічних струк- тур та використанням аналітичних розра- хунків в оберненому просторі. Методи ПЕЕМ [7] і СТМ [8] було з успі- хом застосовано для енергетичного аналізу електронних станів окремих атомів. Скану- вальна тунельна спектроскопія та польова емісійна електронна мікроскопія забезпечу- ють можливість прямого зондування дис- кретної електронної структури нано об’єк тів. ПЕЕМ уможливлює спостереження окре- мих квантових точок (молекул і атомних кластерів). Органічні молекули в цьому разі формують на люмінесцентному екрані яскраві мультиплети або деякі нерегулярні форми ПЕЕМ-зображень, відомі як «моле- кулярні зображення» [9-11]. ПІM, СTM і ПЕЕМ-зображення окремих атомів мають вигляд відносно широких безструктурних плям, розподіл яскравості в яких може бути апроксимований розподілом Гауса. Це дає підстави розглядати такі зображення радше як детектування окремих атомів, ніж отри- мання їхніх реальних зображень. Проте слід зауважити, що, використовуючи динаміч- ні СТМ у режимі мінімальних відстаней вістря-зразок, у деяких випадках удалося отримати неізотропні (непараболічні) зо- браження атомів. У формування цих зобра- жень із «субатомним розрізненням» роблять свій внесок атомні орбіталі на верхівці ві- стря і на плоскій поверхні зразка [12]. Пе- редбачають, що комбінація методів СТМ і польової іонної мікроскопії, а також прове- дення детального теоретичного аналізу вне- ску орбіталей атомів, які беруть участь у тунельному процесі формування СТМ-зо- ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 1 5 бражень, дасть змогу досягти істотного про- гресу в їх інтерпретації. Для кожного з мі- кроскопів високого розрізнен ня потрібні ви- пробні зразки різної конфігурації. Розріз- нення ПЕЕМ істотно залежить від гео метрії зразка, що визначає фактор посилення поля над його вершиною. Основний шлях підви- щення розрізнення ПЕЕМ — мініатюриза- ція вістрійних зразків [13,14]. Прогрес у виготовленні вуглецевих атом- них ланцюжків [15] зробив можливим до- сягнення екстремально високих факторів посилення поля, яке відповідає субанг- стремному розрізненню польового іонного мікроскопа [16]. Інтерес до матеріалів на основі вуглецю як елемента, що забезпечує величезне структурне різноманіття, зако- номірно привів до відкриття фулеренів, на- нотрубок, графенів та атомних вуглецевих ланцюжків. З використанням таких об’єктів у майбутніх нанотехнологіях пов’язані ве- ликі сподівання. Вуглецеві атомні ланцюж- ки мають надзвичайно високі стабільність і густину струму руйнування, що зумовлює можливість їх використання в цілісно вуг- лецевій молекулярній електроніці. В одно- му з наших досліджень [17] ці нанооб’єкти було використано для досягнення макси- мального розрізнення польового емісійно- го електронного мікроскопа. Такий прилад розробив Е. Мюллер у 1936 р. в лабораторії нобелівського лауреата Г. Герца. Значний внесок у розроблення методики польової емісійної електронної й іонної мікроскопії та її застосування для розв’язання багатьох проблем фізики поверхонь і матеріалознав- ства в другій половині минулого сторіччя зробили академіки НАН України А.П. Ко- мар і А.Г. Наумовець [18]. Експерименти проводили в польовому емі- сійному мікроскопі при 4.2 K в умовах над- високого вакууму. Окрему пляму зображен- ня на екрані мікроскопа створював пучок електронів, емітованих кінцевим атомом лан- цюжка (рис. 1). Контрольоване формування вуглецевих атомних ланцюжків на мезоско- пічних вістрях відбувалося внаслідок розви- тку високопольового анравелінгу (транс фор- мації графена в атомний ланцюжок) [15]. Атомні ланцюжки довжиною 3–7 нм було отримано за низьких температур в умовах високого вакууму під дією позитив- ної електричної напруги 1 – 15 кВ. У про- цесі такого оброблення напруженість елек- тричного поля була постійною на рівні 1011 В/м. ПЕЕМ-експерименти проводи- ли у високовакуумній камері при тиску ~10-7 Пa. Такі вакуумні умови запобігали потраплянню атомів залишкового газу на досліджувану поверхню. Глибоке охолоджу- вання зразка перешкоджало міграції моле- кул залишкових газів, адсорбованих на по- верхні підтримувального вуглецевого ві- стря. Зміни яскравості зображення в пло- щині екрана відображають кутові варіації щільності польової емісії з верхівки лан- цюжка. Для дослідження механізму утво- рення атом них ланцюжків у сильних елек- тричних полях було проведено математичне моделювання процесу анравелінгу. Сила електричного поля, що викликає осьовий натяг, додавалася до атома на верхівці лан- цюжка і під час моделювання становила 0.2–6.0 нН. Вуглецеві атомні ланцюжки, які закріпле- но на вуглецевому вістрі, характеризуються високими механічними властивостями і Рис. 1. Схема польового емісійного електронного мікроскопа з лінійним атомним ланцюжком як до- слідним зразком. 6 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 1 можуть в атомному масштабі забезпечити гранично великі струми електронної емісії. Струм польової емісії може бути представ- лено як добуток частоти падіння вільних електронів на поверхневий бар’єр і відповід- ного коефіцієнта проникнення. У зв’язку з тим, що внесок у польову емісію роблять стани тільки поблизу рівня Фермі, потік ту- нельованих електронів у ПЕЕМ пропорцій- ний щільності електронних станів [14] і від- повідає просторовій конфігурації густини вірогідності, яку описують хвильовою функ- цією \|ψ\|2 . Контраст на ПЕЕМ-зображенні не є абсолютно чітким, тому що електрони, емі- товані з деякої точки зразка, мають попере- чну швидкість, унаслідок чого відбувається розмиття плями на люмінесцентному екра- ні. Розрізнення ПЕЕМ може виявлятися в термінах параметра δ, що визначаємо як від- ношення мінімального діаметра плями зо- браження до збільшення зображення M. Ві- домі щонайменше три чинники, які визна- чають розрізнення ПЕЕМ, а саме: швидкість електрона поблизу рівня Фермі, принцип невизначеності та геометричний коефіцієнт збільшення, залежний від форми вершини зразка. Розрізнення ПЕЕМ-зображень нано- об’єктів зі збільшенням M > 106 визначається переважно на основі принципу невизначе- ності [15]. У цьому наближенні розрізнення можна подати як δ = (2ητ/meM)1/2 , де me — маса електрона, а τ — час його прольоту від вістря до екрана. Вуглецевий атомний ланцюжок має ме- талеву провідність і здатний повністю екра- нувати прикладене електричне поле F, уна- слідок чого над кінцевим атомом зростає напруженість електричного поля. Для ви- значення розрізнення зображень атомного ланцюжка на вістрійному електроді було використано модель «циліндр на параболої- ді» (рис. 1), у якій атомні ланцюжки висо- тою l, що мають циліндрову форму, закриті півсферою з радіусом ρ0 = 0.12 нм і нор- мальні щодо параболічного електрода з ра- діусом кривизни r0.. Вуглецевий атомний ланцюжок — ідеальний провідник з еквіпо- тенційною поверхнею, завдяки якій силові лінії та початкова частина траєкторії елек- тронів ортогональні до ефективної елек- тронної поверхні. Силові лінії електрично- го поля, що радіально розходяться, нор- мальні до поверхні на малій відстані, але в міру віддалення стискаються. Параболічне стиснення силових ліній зменшує фактичне збільшення. Збільшення ПЕЕМ-зо б ра жень пропорційне відношенню відстані зразок- екран R до радіуса вершини ρ0 зразка: M = R/βρ0, де β — коефіцієнт стиснення зобра- ження. Для традиційних ПЕЕМ-зразків у формі параболоїда β становить ~ 1.5, але для одновимірних ланцюжків на вістрі його значення значно вище [17]. Використовую- чи аналітичні співвідношення для коефіці- єнтів стиснення β та посилення електрич- ного поля γ, було отримано формулу для визначення мінімального розміру розріз- нюваних емісійних плям на ПЕЕМ-зо бра- женнях лінійних нанооб’єктів: , де ξ — чисельна константа, яка майже не за- лежить від конфігурацій ланцюжків і під- тримувального вістря і має значення 1.145, e — заряд електрона. Напруженість поля F у ПЕЕМ-дослідженнях вуглецевих атом- них ланцюжків варіюється у вузькому ін- тервалі значень близько 109 В/м. Розрізнення визначається на основі принципу невизначеності та коефіцієнта збільшення зображення, залежного перед- усім від радіуса й довжини ланцюжка чи нанотрубки. На рис. 2 показано залежність розрізнення функції радіуса підтримуваль- ного електрода для атомних ланцюжків і нанотрубок. Розрізнення ПЕЕМ насам- перед визначається радіусом верхівки ρ0 і лише потім — розмірами підтримувального електрода r0. ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 1 7 Розрізнення для атомних ланцюжків і нанотрубок перевищує стандартне розріз- нення польового емісійного електронного мікроскопа. Напруженість поля, збільшен- ня та розрізнення зростають у міру змен- шення радіуса циліндрової частини зраз- ка. Застосування в ПЕЕМ таких нанозраз- ків радикально підвищує розрізнення аж до субангстремного рівня, що дає змогу не тільки виявити окремий атом, а й отримати його детальне зображення. Для проведення систематичних дослі- джень конфігурації квадрата хвильо вої функ- ції в циліндричних координатах \|ψ (ρ,z,φ)\|2 ми використовували низькотемпературний ПЕЕМ. Більшість отриманих ПЕЕМ-зо б- ражень кінцевих атомів вуглецевих лан- цюжків мала симетрію, наведену на рис. 3, що відповідає яскравим плямам у формі синглетів і дублетів, а іноді й у вигляді плям довільної форми. Фотографії на рис. 3(a) і (б) було отримано за напруги 425 В і струмів 550 і 150 пA відповідно. Пер- ше польове електронне емісійне зображення кінцевого атома має центральносиметрич- ний розподіл яскравості з максимальною ін- тенсивністю в центрі, яка властива і для s-подібного стану, тоді як на другому зобра- женні в центрі чітко виявляється вузлова лінія, характерна для p-подібного стану. Важливо, що зникнення або переміщен- ня тільки частини ПЕЕМ-зображень ніко- ли не реєстрували: синглети та дублети за- вжди поводилися як єдине ціле. При елек- тронних струмах більше ніж 100 пA син- глет міг випадковим чином перебудуватися в дублет і навпаки. Рис. 4 (а) і (б) демон- струють характерні зображення двох ато- мів, один із яких спонтанно змінює вид ПЕЕМ-зображення за постійної напруги. Ця зміна відповідає s→p перетворенню електронних орбіталей кінцевого атома. Кон- фігурація ПЕЕМ- зображення другого атома при цьому залишається незмінною. Стан без вузлової лінії, тобто s-по дібний стан, дає біль ший струм, ніж p-по дібний стан за однієї й тієї самої напруги. Аналогічний результат для польового емісійного струму для s-по- дібного стану було нещодавно отримано в розрахункових експериментах для надтонко- го металевого нанодроту [19]. Рис. 2. Залежність теоретичного розрізнення ПЕЕМ від радіуса підтримувального параболічного елек- трода для вуглецевих атомних ланцюжків і закритих вуглецевих нанотрубок із фулереновою шапочкою. Рис. 3. ПЕЕМ-зображення кінцевих атомів вуг- лецевих ланцюжків. Синглет (а) і дублет (б), отримані за напруги 425 В. Рис. 4. ПЕЕМ-зображення атомів у вигля- ді синглетів на кінці двох ланцюжків до (а) і після (б) спонтанного s→p перетворення од- ного з атомів за постійної напруги. 8 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 1 Яскраві синглети, дублети та змішані зо- браження органічних молекул було отрима- но раніше в польовому емісійному мікро- скопі [9-11]. До сьогодні більшість із запро- понованих механізмів формування таких «молекулярних зображень» спирається що- найменше на два підходи: мономолекулярну [12] і хвилевідну [14, 20-22] моделі. У ме- жах хвилевідної моделі, що пояснює біль- шість експериментальних результатів, при- рода молекулярних зображень пов’язана з поширенням електронних хвиль уздовж ци- ліндрового «хвилеводу», сформованого мо- лекулярним комплексом. Згідно з цією мо- деллю можна пояснити низку експеримен- тальних фактів, проте механізм спонтанних перетворень атомних ПЕЕМ-зображень не- зрозумілий. Для порівняння виду квадрата хвильової функції з її розрахунковим значенням ми використовували представлення основного стану лінійних вуглецевих ланцюжків, що демонструють осьову симетрію за допомо- гою розкладання хвильової функції ψ у ряд за ортогональною системою функції Бессе- ля першого роду n-го порядку, помноженої на хвильову функцію плоскої хвилі, що по- ширюється в напрямі осі ланцюжка, і на азимутальний фазовий коефіцієнт exp(±nφ) або cos(nφ) [20]. Радіальна локалізація зу- мовлює квантовий характер руху електро- на в напрямку, перпендикулярному до осі ланцюжка. Контраст емісійних картин від- повідає квадрату хвильової функції окре- мих станів із концентричним розподілом яскравості для s-стану та з явно вираженою вузловою лінією, характерною для p-стану. Таким чином, можемо якісно пояснити контраст ПЕЕМ-зображень відповідністю s- і p-станам. Розподіл локального тунель- ного струму над нанооб’єктом переважно відображає розподіл густини вірогідності \|ψ (ρ,z,φ)\|2 в реальному просторі. Порівняння експериментально отриманих ПЕЕМ-зо б- ражень (рис. 3 і 4) із теоретичними розра- хунками амплітуди електронних хвильових функцій для вуглецевих атомних ланцюж- ків (рис. 5) показує задовільну від по від- ність. Підвищення напруженості поля може викликати невелике зростання розміру та яскравості дублетів, але проміжок між будь-якими парами максимумів переважно постійний, і відношення розміру цього про- міжку до максимального діаметра плями зображення дорівнює 2.11. Аналітично отри- мане співвідношення становить 2.081. Бли- зька відповідність розрахованих просторо- вих картин із реальними ПЕЕМ-зо бра- женнями ілюструє, що деякі особливості орбіталей кінцевого атома вуглецевих лан- цюжків можуть відтворюватися в межах моделі розподілу густини вірогідності елект- ронів, близької до хвилевідної моделі А.П. Комара і А.А. Комара [20, 21]. Деяке розмиття експериментальних ПЕЕМ- зо бражень може бути пов’язане з наявністю поперечних моментів емітованих електро- нів. Для оцінення можливого внеску тепло- вих коливань у розмиття ПЕЕМ-зображень проводили математичне моделювання ме- ханічних осциляцій вуглецевого моноатом- ного ланцюжка, закріпленого на краю гра- фена. Розрахунки виконували за допомо- гою методу молекулярної динаміки із залу- ченням потенціалу Терсова – Бреннера [23]. Амплітуди теплових коливань вуглецевих Рис. 5. Просторовий розподіл квадрата хвильової функції ПЕЕМ-зображення атома на кінці вуглеце- вого ланцюжка, отриманий розрахунковим шляхом для s — (a) і p — (б) орбіталей відповідно. ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 1 9 атомних ланцюжків порівняно великі (бли- зь ко 2 Å) і роблять певний внесок (~0.2 рад) у збільшення кута електронної емісії з вер- шини. Проте це значення істотно менше від типового повного кута польової емісії (2/3 π) [14] і незначно впливає на розмит- тя ПЕЕМ-зображень. Отже, можна зроби- ти висновок, що ПЕЕМ-зображення в ціло- му демонструють просторовий розподіл електронів атомів лінійних ланцюжків вуг- лецю. Розроблення високопольової мето- дики виготовлення вуглецевих атомних ланцюжків дало змогу досягти в ПЕЕМ суб ангстремного розрізнення, яке можна використати для прямого спостереження в реальному просторі двовимірних зобра- жень електронних орбіталей атомів. Користуючись нагодою, щиро дякуємо О.С. Бакаєві та А.Г. Наумовцю за цінні ко- ментарі й поради. 1. Tsong T.T. Fifty Years of seeing atoms // Physics To- day. — March 2006. — P. 31–37. 2. Crewe A.V., Wall J.S., Langmore J.P. Visibility of single atoms // Science. — 1970. — Vol. 168. — P. 1338– 1340. 3. Binnig G., Rohrer H. Scanning tunneling microsco- py — from birth to adolescence // Rev. Mod. Phys. — 1987. — Vol. 59. — P. 615–625. 4. Erni R., Rossell M.D., Kisielowski C., Dahmen U. Atomic-resolution imaging with a sub-50-pm elec- tron probe // Phys. Rev. Lett. — 2009. — Vol. 102. — 096101 (4 p.). 5. Girit C.Ö., Meyer J. C., Erni R., Rossell M.D., Kisielows- ki C., Yang L., Park C.-H., Crommi M.F., Cohen M.L., Louie S. G., Zettl. A. Graphene at the edge: stability and dynamics // Science. — 2009. — Vol. 323. — P. 1705–1708. 6. Храмов Ю.А. Физики. — М.: Наука, 1983. — 399 c. 7. Rokuta E., Kuo H.-S., Itagaki T., Nomura K., Ishika- wa T., Cho B.-L., Hwang I.-S., Tsong T.T., and Oshi- ma C. Field emission spectra of single-atom tips with thermodynamically stable structures // Surf. Sci. — 2008. — Vol. 602. — P. 2508–2512. 8. Crommie M.F., Lutz C.P., Eigler D.M. Spectroscopy of a single adsorbed atom // Phys. Rev. B. — 1993. — Vol. 48. — P. 2851–2854. 9. Melmed A.J., and Müller E.W. Study of molecular pat- terns in the field emission microscope // J. Chem. Phys. — 1958. — Vol. 29. — P. 1037–1041. 10. Condon G.R. and Panitz J.A. Mapping the field-emis- sion tunneling barrier of organic adsorbates on tung- sten // J. Vac. Sci. Technol. B. — 2000. –Vol. 18. — P. 1216–1221. 11. Тумарева Т.А., Соминский Г.Г., Поляков А.С. Фор- мирование микрообразований с упорядоченной структурой эмиссии в фуллереновых покрытиях полевых эмиттеров // ЖТФ. — 2002. — №72. — Вып. 2. — С. 111–115. 12. Herz M., Giessibl F.J., Manhart J. Probing the shape of atom in real space // Phys. Rev. B. — 2003. — Vol. 68. — 045301 (7 p.). 13. Brodie I. The visibility of atomic objects in the field electron emission microscope // Surf. Sci. — 1978. — Vol. 70. — P. 186–196. 14. Gomer R. Field Emission and Field Ionization. — New York: American Inst. of Physics, 1993. 15. Mikhailovskij I.M., Wanderka N., Ksenofontov V.A., Mazilova T.I., Sadanov E.V., Velicodnaja O.A. Prepa- ration and characterization of monoatomic C-chains: unraveling and field emission // Nanotechnology. — 2007. — Vol. 18. — Р. 475705 (6 pp.). 16. Mazilova T.I., Mikhailovskij I.M., Sadanov E.V., Kse- nofontov V.A. Field-ion microscopy of quantum os- cillations of linear carbon atomic chains // Nanolet- ters. — 2009. — Vol. 9. — №2. — P. 774–778. 17. Mikhailovskij I.M., Sadanov E.V., Mazilova T.I., Kseno- fontov V.A., and Velicodnaja O.A. Imaging the atomic orbitals of carbon atomic chains with field-emission electron microscopy // Phys. Rev. B. — 2009. — Vol. 80. — 165404 (7pp.). 18. Наумовец А.Г. Исследование адсорбционных и эмиссионных явлений в сильных электриче- ских полях: украинская глава // Автоионная и авто электронная микроскопия и спектроскопия: исто рия, достижения, современное состояние, перспективы / Под ред. А.Л. Суворова. — М.: Академпринт, 2003. — С. 90–106. 19. Lee Ch.-K., Lee B., Ihm J., and Han S. Field emission of metal nanowires studied by first-principles methods // Nanotechnology. — 2007. — Vol. 18. — P. 475706. 20. Комар А.П., Комар А.А. Молекулы и комплексы молекул и атомов как волноводы электронных волн // ЖТФ. — 1961. — T. 31. — № 2. — С. 231– 237. 21. Комар А.П., Комар А.А. К теории волновых свойств металлоподобных молекул и их комплексов // ЖТФ. — 1962. — T. 32. — № 7. — С. 867–873. 22. Комар А.П., Савченко В.П. «Волноводная» тео- рия автоэлектронной эмиссии молекулярных комп лексов полупроводников и результаты эксперимента // ФТТ. — 1965. — T. 7. — № 3. — С. 759–768. 23. Brenner D.W. Empirical potential for hydrocarbons for use in simulating the chemical vapor deposition of diamond films // Phys. Rev. B. — 1990. — Vol. 42. — №15. — P. 9458–9471. 10 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2010, № 1 І. Михайловський, Є. Саданов, Т. Мазілова, В. Ксенофонтов, О. Великодна ВИСОКОРОЗРІЗНЮВАЛЬНА ПОЛЬОВА ЕЛЕКТРОННА МІКРОСКОПІЯ: СПОСТЕРЕЖЕННЯ АТОМНІХ ОРБІТАЛЕЙ Р е з ю м е Високе розрізнення польового електронного емісій- ного мікроскопа, яке отримано нещодавно завдяки застосуванню високопольової методики виготовлен- ня атомних ланцюжків, може бути використане для прямого спостереження внутріатомної електронної будови. У кріогенному мікроскопі одержано зобра- ження просторових конфігурацій атомних орбіталей, що відповідають квантовим станам атома на кінці вуг- лецевих атомних ланцюжків. Отриманий результат демонструє можливість візуалізації основних аспек- тів квантової механіки і може сприяти виникненню та розвитку нових підходів у галузі нанотехнологій. Ключові слова: вуглецеві атомні ланцюжки, внутріатом- на електронна будова, графен, кріогенний мікроскоп, еміто- вані електрони. I. Mykhailovskyi, Ye. Sadanov, T. Mazilova, V. Ksenofontov, O. Velykodna HIGH-RESOLUTION FIELD ELECTRON MICROSCOPY: ATOMIC ORBITALS IMAGING S u m m a r y A recently developed high-field technique of atomic chains preparation has made it possible to attain the ul- trahigh resolution of field-emission electron microsco- py, which can be used for direct imaging of the intra- atomic electron structure. Application of cryogenic microscope has allowed to obtain the spatial configura- tion of atomic orbitals that correspond to quantized states of the end atom in free-standing carbon atomic chains. The obtained result shows the possibility to visualize the major aspects of quantum mechanics and may facilitate creation and development of new ap- proaches in nanotechnology applications. Keywords: carbon atomic chains, intra-atomic electron structure, graphene, cryogenic microscope, emitted elec t- rons.

Високорозрізнювальна польова електронна мікроскопія: спостереження атомних орбіталей

Репозитарії

Схожі ресурси