Способ индентификации отдельных молекул на поверхности твердого тела

 

Использование: автоэмиссионная микроскопия. Сущность изобретения: изменяя температуру подложки и напряженность электрического поля, добиваются возникновения характерных для данной молекулы колебаний, которые отображаются на экране микроскопа в виде многоугольников, составленных из точек. 2 ил.

Изобретение относится к автоэмиссионной микроскопии и решает задачу неразрушающей идентификации химической природы единичных молекул, которые находятся на поверхности образца-подложки и видны на экране автоионного микроскопа.

Знание химической природы каждой из наблюдаемых молекул позволит производить уникальные экспериментальные исследования процессов на поверхности. (Это микромеханизмы образования многокомпонентных пленок, явления катализа, коррозии и т.д.).

Однако задача установления химической природы отдельных атомов и молекул находится в настоящее время на пределе технических возможностей современных методик физического эксперимента.

Известен способ анализа химической природы отдельных атомов и молекул с помощью атомно-зондового анализа 1. По этому способу атом или молекулу, которая видна на экране автоионного микроскопа, испаряют в виде иона импульсом электрического напряжения и, пропустив через диафрагму, которая отсекает соседние молекулы, анализируют ее в высокочувствительном времяпролетном масс-спектрометре.

Недостатками этого метода являются невозможность дальнейшей работы с атомом или молекулой, химическую природу которого определили, и низкая статистическая надежность результата (так как производится только одно измерение, да и то на пределе возможностей прибора). Кроме того, удается исследовать природу лишь одного атома, а его соседи теряются.

В качестве прототипа принят способ определения химической природы молекул, которые видны на экране автоэмиссионного микроскопа по их "внешнему виду". Иногда действительно удается различить молекулы, обладающие характерной формой. Однако в большинстве случаев изображения молекул представляют из себя просто округлые яркие пятна, о природе которых судить очень трудно.

Техническим результатом является возможность различения молекул, дающих при обычных условиях наблюдения одинаковые изображения.

Результат достигается за счет того, что в способе идентификации отдельных молекул на поверхности твердого тела, предусматривающем анализ изображения молекулы на экране автоэмиссионного микроскопа, на молекулу производят совместное воздействие электрическим полем и тепловым полем, а о типе молекулы судят по тому, при какой температуре и напряженности электрического поля на изображении появляются характерные для нее фигуры, обусловленные ее гироскопическими колебаниями.

Целью является получение возможности идентифицировать отдельные молекулы, которые видны на изображении в автоэмиссионном микроскопе как округлые яркие пятна.

Поставленная задача достигается за счет одновременного воздействия на молекулу теплового и электрического полей. При этом молекула данного вещества при определенных значениях температуры и напряженности электрического поля совершает характерное для нее колебательное движение, которое фиксируется на экране микроскопа.

Определение природы отдельной молекулы производится в следующей последовательности: 1. В вакуумную камеру автоионного микроскопа помещают металлическое острие-подложку для молекул.

2. Создают атомарно-гладкую поверхность вершины острия за счет полевого испарения либо микроскопического электрического разряда.

3. Напускают в вакуумную камеру молекулы исследуемого вещества и изображающий газ (чаще всего гелий или азот).

4. Подают на острие положительный электрический потенциал. При этом молекулы исследуемого вещества поляризуются и притягиваются к поверхности вершины острия (где напряженность поля максимальна). При этом у свободного конца молекулы напряженность поля повышена. Здесь и происходит ионизация атомов изображающего газа. Образовавшиеся ионы летят к экрану и создают на нем изображение молекулы. (Для получения возможности нормального наблюдения изображения, необходимо усиливать его яркость с помощью последовательно расположенных микроканальных усилителей в 10⁸ раз).

5. Измеряя температуру острия-подложки, напряженность электрического поля (возможно также воздействие на молекулы лазерного и других излучений), добиваются возникновения характерных колебаний для данного вида молекул.

Пример.

Способ опробован при анализе молекул воды, осаждаемых на поверхности нержавеющей стали. В обычном режиме наблюдения (температура жидкого азота, напряженность электрического поля =10⁸ В/м) на изображении видно яркое округлое пятно (фиг.1). За счет изменения температуры и напряженности электрического поля удается получить характерные изображения, которые можно связать с гироскопической нутацией поляризованной молекулы (фиг.2).

Механизм образования многоугольников, составленных из точек, следующий (на фиг. 2 - простейший случай - треугольник).

Молекула вследствие наличия у нее энергии теплого движения вращается как вокруг собственной оси, так и вокруг перпендикуляра к поверхности. Если эти частоты вращения становятся сравнимы по величине и кратны друг другу, то проявляется эффект нутации - периодические движения свободного конца молекулы вверх-вниз.

В верхнем положении свободный конец молекулы дает изображение на экране. В зависимости от кратности соотношения частот вращения на изображении появляются треугольники, квадраты, шестиугольники и т.д.

Для молекул воды, например, треугольник возникает при температуре 20^oC и напряженности электрического поля 5·10⁷ В/м.

Аналогичным образом может быть составлена справочная таблица значений температуры и напряженности поля, при которых для каждой молекулы проявляются характерные для нее фигуры на изображении.

По сравнению с прототипом данное предложение обладает преимуществом, которое заключается в возможности различать молекулы, которые в обычном режиме работы автоионного микроскопа дают одинаковые изображения.

Формула изобретения

Способ идентификации отдельных молекул на поверхности твердого тела, предусматривающий анализ изображения молекулы на экране автоэмиссионного микроскопа, отличающийся тем, что на молекулу производят совместное воздействие электрическим полем, и тепловым полем, а о типе молекулы судят по тому, при какой температуре и напряженности электрического поля на изображении появляются характерные для нее фигуры, обусловленные ее гироскопическими колебаниями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2