En doktorand vid University of Texas i Dallas, hans rådgivare och branschmedarbetare tror att de har tagit itu med ett långvarigt problem som har bekymrat forskare och ingenjörer i mer än 35 år:Hur man förhindrar spetsen på ett tunnelmikroskop från att krascha in i ytan av ett material under avbildning eller litografi.

Detaljer om gruppens lösning dök upp i januarinumret av tidskriften Granskning av vetenskapliga instrument , som publiceras av American Institute of Physics.

Skannande tunnelmikroskop (STM) arbetar i ett ultrahögt vakuum, föra en sond med fin spets med en enda atom vid sin spets mycket nära ytan av ett prov. När spänning appliceras på ytan, elektroner kan hoppa eller tunnla över gapet mellan spetsen och provet.

"Tänk på det som en nål som är väldigt vass, atomärt skarp, " sa Farid Tajaddodianfar, en maskiningenjörsexamen vid Erik Jonssons högskola för teknik och datavetenskap. "Mikroskopet är som en robotarm, kan nå atomer på provytan och manipulera dem."

Problemet är, ibland kraschar volframspetsen in i provet. Om den fysiskt berör provets yta, det kan oavsiktligt ordna om atomerna eller skapa en "krater, " vilket kan skada provet. En sådan "spetskrasch" tvingar ofta operatörer att byta ut spetsen många gånger, förlorar värdefull tid.

Dr. John Randall är adjungerad professor vid UT Dallas och president för Zyvex Labs, en Richardson, Texas-baserat nanoteknikföretag som specialiserat sig på att utveckla verktyg och produkter som tillverkar strukturer atom för atom. Zyvex nådde ut till Dr. Reza Moheimani, professor i maskinteknik, för att lösa STM:s problem med tipskrasch. Moheimanis begåvade stol var en gåva från Zyvex grundare James Von Ehr MS'81, som hedrades som en framstående UTD-alumn 2004.

"Vad de försöker göra är att hjälpa till att förverkliga atomärt exakt tillverkning, sa Randall, som skrev artikeln tillsammans med Tajaddodianfar, Moheimani och Zyvex Labs James Owen. "Detta anses vara framtiden för nanoteknik, och det är oerhört viktigt arbete."

Randall sa att en sådan exakt tillverkning kommer att leda till en mängd innovationer.

"Genom att bygga strukturer atom för atom, du kan skapa nya, extraordinära material, sa Randall, som är biordförande i Jonssonskolans Branschengagemangsnämnd. "Vi kan ta bort föroreningar och göra material starkare och mer värmebeständiga. Vi kan bygga kvantdatorer. Det kan radikalt sänka kostnaderna och utöka kapaciteten inom medicin och andra områden. T.ex. om vi bättre kan förstå DNA på atomär och molekylär nivå, som hjälper oss att finjustera och skräddarsy vården efter patienternas behov. Möjligheterna är oändliga."

Dessutom, Moheimani, en kontrollingenjör och expert på nanoteknik, nämnda forskare försöker bygga transistorer och kvantdatorer från en enda atom med hjälp av denna teknik.

"Det pågår en internationell kapplöpning för att bygga maskiner, enheter och 3D-utrustning från atomen och upp, sade Moheimani, James Von Ehr Distinguished Chair in Science and Technology.

'Det är en stor, Stort problem'

Randall sa att Zyvex Labs har spenderat mycket tid och pengar på att försöka förstå vad som händer med tipsen när de kraschar.

"Det är en stor, stort problem, " sa Randall. "Om du inte kan skydda spetsen, du kommer inte att bygga någonting. Du slösar bort din tid."

Tajaddodianfar och Moheimani sa att problemet är kontrollanten.

"Det finns en återkopplingskontroller i STM som mäter strömmen och flyttar nålen upp och ner, " sade Moheimani. "Du flyttar från en atom till en annan, över en ojämn yta. Den är inte platt. På grund av det, avståndet mellan provet och spetsen ändras, liksom strömmen mellan dem. Medan kontrollern försöker flytta spetsen upp och ner för att bibehålla strömmen, den svarar inte alltid bra, inte heller reglerar den spetsen korrekt. Den resulterande rörelsen av spetsen är ofta instabil."

Det är återkopplingskontrollen som inte skyddar spetsen från att krascha in i ytan, sa Tajaddodianfar.

"När de elektroniska egenskaperna varierar över provytan, spetsen är mer benägen att krascha under konventionella kontrollsystem, " sa han. "Det är meningen att det verkligen ska vara, riktigt skarp. Men när spetsen kraschar in i provet, det går sönder, krullar bakåt och plattar ut.

"När spetsen väl kraschar mot ytan, Glöm det. Allting förändras."

Lösningen

Enligt Randall, Tajaddodianfar tog logiska steg för att skapa lösningen.

"Det briljanta med Tajaddodianfar är att han tittade på problemet och förstod fysiken i tunnlingen mellan spetsen och ytan, att det finns en liten elektronisk barriär som styr hastigheten på tunnling, ", sa Randall. "Han kom på ett sätt att mäta den lokala barriärhöjden och justera förstärkningen på kontrollsystemet som bevisligen håller spetsen borta från problem. Utan det, spetsen bara stöter med, krascha i ytan. Nu, den anpassar sig till kontrollparametrarna i farten."

Moheimani sa att gruppen hoppas kunna ändra sin bana när det gäller att bygga nya enheter.

"Det är nästa sak för oss. Vi gav oss i kast med att hitta källan till detta problem, och det gjorde vi. Och, vi har kommit fram till en lösning. Det är som allt annat inom vetenskapen:Tiden får utvisa hur effektfullt vårt arbete kommer att bli, sade Moheimani. Men jag tror att vi har löst det stora problemet.