Năng lượng thăm dò càng yếu càng tốt

Nếu bạn muốn quan sát từng nguyên tử đơn lẽ, bạn cần phải có một kính hiển vi đủ mạnh. Nhưng đối với tình huống khó khăn hơn như đối với các nguyên tử nằm một mình ở rìa của một tấm nguyên tử cacbon, năng lượng cao của chùm tia có thể làm nhiễu các liên kết của nó với cả hệ, khiến cho việc nghiên cứu trở nên khó khăn hơn. Mới đây, một chùm tia năng lượng thấp lần đầu tiên được sự dụng để xem xét các liên kết này.

Sự vững chắc không còn duy trì ở rìa tấm graphene. (ảnh: Pasiek/SPL)

Trước đây, các chùm tia điện tử năng lượng cao được sử dụng để dò các nguyên tử đơn lẻ. Ví dụ, một chùm tia như vậy đã được sử dụng để nhận biết các nguyên tử đơn của các nguyên tố hiếm gặp trên trái đất bị bẩy bên trong một quả bóng bucky, là một chiếc lồng với các nguyên tử cacbon xếp vây quanh. Bằng cách xem xét phổ năng lượng của các điện tử bị dội trở lại, các nhà nghiên cứu có thể lần ra kích thước của nguyên tử bên trong và nhận ra nó.

Tuy nhiên, việc đo đạc các nguyên tử trong trường hợp khác đòi hỏi những phương pháp tinh vi hơn. Kazu Suenaga và Masanori Koshino tại Việ Khoa học và Công nghệ công nghiệp Quốc gia ở Tsukuba, Nhật Bản, muốn đo đạc các nguyên tử các-bon bám vào rìa của một mẫu graphene, là một tấm nguyên tử các-bon với các mắt lưới hình lục giác. Thực tế, họ bị thu hút bởi các liên kết của những nguyên tử ở rìa, có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất dẫn điện và hóa tính của graphene.

Về nguyên tắc, phổ năng lượng của các điện tử tán xạ bởi một nguyên tử ở rìa tấm graphene có thể dùng để xác định các liên kết này. Trở ngại ở đây là một chùm điện tử năng lượng cao có thể sắp xếp lại các nguyên tử ở rìa, qua đó làm thay đổi các tính chất mà họ muốn đo.

Suenaga và Koshino tận dụng tiện lợi của một kính hiển vi điện tử mới có khả năng tìm lại chính xác phổ tán xạ của điện tử, thậm chí cả khi năng lượng chùm tia là tương đối thấp. Sử dụng các chùm điện tử với năng lượng ít hơn khoảng 40 phần trăm so với các nghiên cứu trước đây, các tác giả có thể tìm lại được phổ tán xạ của điện tử bởi các nguyên tử đơn lẻ ở rìa tấm graphene trước khi gây ra bất cứ một nhiễu động nào ảnh hưởng đến các liên kết này.

Họ thấy rằng phổ của chúng cho thấy sự tồn tại của một, hai hay ba liên kết của nguyên tử các-bon với tấm graphene. Họ sử dụng cách này để đếm số liên kết của các nguyên tử riêng lẻ ở rìa mẫu đối với tấm. Công trình được đăng trên Nature, DOI: 10.1038/nature09664.

Suenaga cho biết kỉ thuật này cũng có thể được sử dụng để đo đạc các tính chất điện của các dãy nguyên tử các-bon 1D, hữu dụng trong các mạch điện nano trong tương lai. Nó cũng có thể áp dụng cho các tấm pin mặt trời để xác định các nguyên tử tham gia chính vào sự sản sinh ra điện.

Ondrej Krivanek ở Nion, một người chế tạo kính hiển vi điện tử ở Seatle, Washington, không tham gia vào nhóm nghiên cứu, gọi nó là "một chuyến hành trình của lực" (a tour de force), áp dụng những kỉ thuật tân tiến vào "một vấn đề được quan tâm rộng rãi về mặt kỉ thuật".

Theo physorg.com