Atomkraftsmikroskopi (AFM) är en extremt känslig teknik som gör att vi kan avbilda material och/eller karakterisera deras fysikaliska egenskaper på atomär skala genom att känna av kraften ovanför materialytorna med hjälp av en exakt kontrollerad spets. Dock, konventionell AFM tillhandahåller endast ytnormalkomponenten av kraften (Z-riktningen) och ignorerar komponenterna parallella med ytan (X- och Y-riktningarna). För att helt karakterisera material som används i enheter i nanoskala, det är nödvändigt att få information om parametrar med riktning, såsom elektroniska, magnetisk, och elastiska egenskaper, i mer än bara Z-riktningen. Det är, det är önskvärt att även mäta dessa parametrar i X- och Y-riktningarna parallella med ytan av ett material. Att mäta fördelningen av sådana materialparametrar på atomär skala kommer att öka vår förståelse för kemisk sammansättning och reaktioner, ytmorfologi, molekylär manipulation, och nanomaskindrift.

En forskargrupp vid Osaka University har nyligen utvecklat en AFM-baserad metod som kallas "bimodal AFM" för att få information om materialytor i X, Y, och Z-riktningar (det vill säga i tre dimensioner) på subatomär skala. Forskarna mätte den totala kraften mellan en AFM-spets och materialytan i X, Y, och Z-riktningar med användning av en germanium (Ge) yta som ett substrat. Deras samarbetspartner, Institutet för fysik vid den slovakiska vetenskapsakademin, bidragit med datorsimuleringar av interaktionerna mellan spets och yta. Den bimodala AFM-metoden rapporterades nyligen i Naturfysik .

"En ren Ge(001)-yta har växelvis inriktade anisotropa dimerer, som vrids 90° över steget, vilket betyder att de visar en tvådomänstruktur, " förklarar första författaren Yoshitaka Naitoh. "Vi sonderade kraftfälten från varje domän i vertikal riktning genom att oscillera AFM-spetsen vid böjningsresonansfrekvensen och i parallellriktningen genom att oscillera den vid den torsionella."

Teamet uttryckte först kraftkomponenterna som vektorer, tillhandahåller vektorfördelningen över ytan på subatomär skala. Datorsimuleringen stödde de experimentella resultaten och belyser naturen av kemisk spetsterminering och morfologi och, särskilt, hjälpte till att klargöra de utestående frågorna angående spets-yta-avstånden i experimentet.

"Vi mätte storleken och riktningen för kraften mellan AFM-spetsen och Ge-ytan på en subatomär skala i tre dimensioner, ", säger Naitoh. "Sådana mätningar kommer att underlätta förståelsen av strukturen och kemiska reaktioner hos funktionaliserade ytor."

Den utvecklade bimodala AFM-metoden kommer att tillåta forskare att undersöka de fysiska egenskaperna hos material mer i detalj på nanoskala, som ska underlätta utvecklingen av enheter, nanoteknik, och friktions-/smörjsystem.