СПОСОБ ИНДЕНТИФИКАЦИИ ОТДЕЛЬНЫХ МОЛЕКУЛ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА Российский патент 1998 года по МПК G01N21/68 

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.

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.

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.