Атомом больше, атомом меньше - какая казалось бы, разница (хоть для обычных твердых тел, хоть для твердотельных наноструктур)? В подавляющем большинстве случаев - никакой, но бывает и по-другому. Как показано в недавно вышедшей статье американских ученых, иногда можно управлять испусканием света на уровне "плюс-минус атом".

Рис. 1. Схематическое изображение туннелирования электрона с испусканием фотона. Электрон из состояния вблизи уровня Ферми переходит в незаполненное состояние атома серебра (плотность электронных состояний схематически показана на рисунке - Ag chain DOS), разница в энергии между этими "начальным" и "конечным" состоянием электрона равна энергии испускаемого фотона.

Один из наиболее распространенных видов зондовой микроскопии - сканирующая туннельная микроскопия (именно с ее помощью было "сказано новое слово"). Принцип действия туннельного микроскопа прост - зонд микроскопа (очень острая металлическая игла) находится на столь малом расстоянии от исследуемой поверхности (порядка нескольких ангстрем), чтобы через такой контакт мог протекать туннельный ток. Перемещая иглу вдоль исследуемой поверхности так, чтобы туннельный ток был постоянным (для этого необходимо, чтобы расстояние между острием иглы и поверхностью было постоянным), и регистрируя положение иглы в каждый момент, можно получать изображение рельефа поверхности с субангстремным (соответственно - атомным) разрешением разрешением. Поскольку величина туннельного тока зависит от плотности электронных состояний (точнее, плотности состояний пропорциональна величина dI/dV, где I - туннельный ток, а V - приложенное напряжение), то с помощью сканирующей туннельной микроскопии можно исследовать поверхностные электронные состояния, а также электронные состояния поверхностных адсорбатов.

Рис. 2. a - схематическое изображения цепочки из пяти атомов серебра и нескольких отдельных атомов серебра на поверхности NiAl (110); b - полученное с помощью сканирующей туннельной микроскопии изображение цепочки из четырех атомов серебра и пяти отдельных атомов серебра; c - с помощью иглы туннельного микроскопа один из пяти атомов отдельных атомов добавлен к цепочке.

При переходе электрона с одного "берега" туннельного контакта на другой энергия электрона в принципе может изменяться, например, за счет излучения фотона (рис. 1). В недавно вышедшей работе американских ученых исследовалось именно (неупругое) туннелирование с испусканием фотонов [1]. На поверхность NiAl было нанесено небольшое количество серебра, и исследователи могли манипулировать атомами с помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа (кстати, самодельного) и, в частности, "собирать" из них одноатомные цепочки (рис. 2). Регистрируя испущенные при туннелировании фотоны (эксперименты проводились в высоковакуумной камере при низкой температуре), ученые впервые смогли исследовать влияние локальной плотности электронных состояний на испускание фотонов в структурах, состоящих из малого числа атомов.

Собирая цепочку из отдельных атомов и наблюдая за процессом модификации электронного спектра по мере увеличения числа атомов в цепочке, можно "вживую" видеть, как из энергетических уровней отдельных атомов образуются энергетические зоны в твердых телах (рис. 3c). В случае одного атома серебра на поверхности имеется один четкий пик на кривой dI/dV, связанный c туннелированием в незаполненное электронное состояние атома серебра (модифицированное за счет взаимодействия с NiAl). При добавлении еще одного атома серебра на кривой появляются два пика (взаимодействие атомов приводит к "расталкиванию" электронных уровней). При добавлении последующих атомов число пиков (электронных состояний) растет, расстояние между ними уменьшается, а ширина занимаемой ими энергетической полосы увеличивается.

Рис. 3. a - интенсивность излучения в зависимости от приложенного к туннельному контакту напряжения для "пустой" поверхности NiAl и цепочек из атомов серебра длиной до пяти атомов (число атомов показывает нижний индекс); b - полученное в режиме сканирующей туннельной микроскопии изображение исследуемых структур (размер поля зрения 33 x 33 A); c - кривые dI/dV и dY/dV для исследуемых структур (Y - интенсивность испускания фотонов).

Изменение локальной плотности электронных состояний при изменении числа атомов должно приводить к изменению интенсивности испускания фотонов при определенном приложенном напряжении (вследствие того, что меняется вероятность неупругого туннелирования электронов), что и удалось зарегистрировать в экспериментах (рис. 3a и 3c).

Таким образом, американские ученые продемонстрировали возможность управления спектральным составом и интенсивностью испускания света в твердотельных структурах за счет манипуляций с отдельными атомами. Еще лет двадцать - тридцать назад управление оптическими свойствами структур на атомном масштабе показалось бы фантастикой, но "мы рождены, чтоб сказку сделать былью".

1. G.V.Nazin, X.H.Qui, and W.Ho. Phys.Rev.Lett., v.90, 216110 (2003).

Е.Онищенко