Сканирующий зондовый микроскоп
Наиболее молодое и вместе с тем перспективное направление в исследовании свойств
Поверхности - сканирующая зондовая микроскопия. Зондовые микроскопы имеют
Рекордное разрешение - менее 0,1 нм Они могут измерить взаимодействие между
Поверхностью и сканирующим ее микроскопическим острием - зондом - и выводят
Трехмерное изображение на экран компьютера
Методы зондовой микроскопии позволяют не только видеть атомы и молекулы, но и
Воздействовать на них. При этом - что особенно важно - объекты могут изучаться
Не обязательно в вакууме (что обычно для электронных микроскопов), но и в
Различных газах и жидкостях.
Изобрели зондовый - сканирующий туннельный микроскоп в 1981 году сотрудники
Исследовательского центра фирмы ИБМ Г. Бинниг и X. Рорер (США) Через пять лет за
Это изобретение они были удостоены Нобелевской премии
Биннинг и Рорер попытались сконструировать прибор для исследования участков
Поверхности размером менее 10 нм. Итог превзошел самые смелые ожидания: ученым
Удалось увидеть отдельные атомы, размер которых в поперечнике составляет лишь
Около одного нм. В основе работы сканирующего туннельного микроскопа лежит
Квантово-механическое явление, называемое туннельным эффектом. Очень тонкое
Металлическое острие - отрицательно заряженный зонд - подводится на близкое
Расстояние к образцу, тоже металлическому, заряженному положительно. В тот
Момент, когда'расстояние между ними достигнет несколько межатомных расстояний,
Электроны начнут свободно проходить через него - "туннелировать": через зазор
Потечет ток
Очень важное значение для работы микроскопа имеет резкая зависимость силы
Туннельного тока от расстояния между острием и поверхностью образца. При
Уменьшении зазора всего на 0,1 нм ток возрастет примерно в 10 раз. Поэтому даже
Неровности размером с атом вызывают заметные колебания величины тока.
Чтобы получить изображение, зонд сканирует поверхность, а электронная система
Считывает величину тока. В зависимости от того, как эта величина меняется,
Острие либо опускается или поднимается. Таким образом, система поддерживает
Величину тока постоянной, а траектория движения острия повторяет рельеф
Поверхности, огибая возвышенности и углубления.
Острие перемещает пьезоска-нер, который представляет собой манипулятор из
Материала, способного изменяться под действием электрического напряжения Пье-
Зосканер чаще всего имеет форму трубки с несколькими электродами, которая
Удлиняется или изгибается, перемещая зонд по разным направлениям с точностью до
Тысячных долей нанометра
Информация о движении острия преобразуется в изображение поверхности, которое
Строится по точкам на экране Участки разной высоты для наглядности окрашиваются
В различные цвета.
В идеале на конце острия зонда должен находиться один неподвижный атом. Если же
На конце иглы случайно оказалось несколько выступов, изображение может двоиться,
Троиться. Для устранения дефекта иглу травят в кислоте, придавая ей нужную
Форму.
С помощью туннельного микроскопа удалось сделать ряд открытий. Например,
Обнаружили, что атомы на поверхности кристалла расположены не так, как внутри, и
Часто образуют сложные структуры.
С помощью туннельного микроскопа можно изучать лишь проводящие ток объекты.
Однако он позволяет наблюдать и тонкие диэлектрики в виде пленки, когда их
Помещают на поверхность проводящего материала. И хотя этот эффект еще не нашел
Полного объяснения, тем не менее его с успехом применяют для изучения многих
Органических пленок и биологических объектов - белков, вирусов.
Возможности микроскопа велики. С помощью иглы микроскопа даже наносят рисунки на
Металлические пластины Для этого используют в качестве "пишущего" материала
Отдельные атомы - их осаждают на поверхность или удаляют с нее Таким образом в
1991 году сотрудники фирмы ИБМ написали атомами ксенона на поверхности никелевой
Пластины название своей фирмы - IBM. Букву "I" составили всего 9 атомов, а буквы
"В" и "М" - 13 атомов каждую
Следующим шаг в развитии сканирующей зондовой микроскопии сделали в 1986 году Бинниг, Квейт и Гербер. Они создали атомно-силовой микроскоп.
Если в туннельном микроскопе решающую роль играет резкая зависимость туннельного
Тока от расстояния между зондом и образцом, то для атомно-силового микроскопа
Решающее значение имеет зависимость силы взаимодействия тел от расстояния между
Ними.
Зондом атомно-силового микроскопа служит миниатюрная упругая пластина -
Кантилевер. Причем один ее конец закреплен, на другом же конце сформировано
Зондирующее острие из твердого материала - кремния или нитрида кремния. При
Перемещении зонда силы взаимодействия между его атомами и неровной поверхностью
Образца будут изгибать пластину. Добившись такого перемещения зонда, когда
Прогиб остается постоянным, можно получить изображение профиля поверхности Такой
Режим работы микроскопа, называющийся контактным, позволяет измерять с
Разрешением в доли нанометра не только рельеф, но и силу трения, упругость и
Вязкость исследуемого объекта
Сканирование в контакте с образцом довольно часто приводит к его деформации и
Разрушению. Воздействие зонда на поверхность может быть полезным, например, при
Изготовлении микросхем. Однако зонд способен легко порвать тонкую полимерную
Пленку или повредить бактерию, вызвав ее гибель. Чтобы избежать этого,
Кантилевер приводят в резонансные колебания вблизи поверхности и регистрируют
Изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний, вызванных взаимодействием с
Поверхностью. Такой метод позволяет изучать живые микробы колеблющаяся игла
Действует на бактерию, как легкий массаж, не причиняя вреда и позволяя наблюдать
За ее движением, ростом и делением
В 1987 году И. Мартин и К. Викрама-сингх (США) предложили в качестве
Зондирующего острия использовать намагниченную микроиглу. В результате появился
Магнитно-силовой микроскоп.
Такой микроскоп позволяет разглядеть отдельные магнитные области в материале -
Домены - размером до 10 нм. Его также применяют и для сверхплотной записи
Информации, формируя на поверхности пленки домены с помощью полей иглы и
Постоянного магнита. Подобная запись в сотни раз плотнее, чем на современных
Магнитных и оптических дисках.
На мировом рынке микромеханики, где заправляют такие гиганты, как ИБМ, "Хитачи",
"Жиллетт", "Поляроид", "Олимпус", "Джойл", "Диджи-тал инструменте", нашлось
Место и для России. Все громче слышен голос маленькой фирмы МДТ из подмосковного
Зеленограда
"Давайте скопируем на пластину, в 10 раз меньшую человеческого волоса,
Наскальный рисунок, выполненный нашими далекими предками, - предлагает главный
Технолог Денис Шабратов. - Компьютер управляет "кистью", зондом - иглой длиной
15 микрон, диаметром в сотые доли микрона. Игла движется вдоль "полотна", и там,
Где его касается, появляется мазок размером с атом. Постепенно на экране дисплея
Возникает олень, за которым гонятся всадники".
МДТ единственная в стране фирма изготовитель зондовых микроскопов и самих
Зондов. Она входит в четверку мировых лидеров Изделия фирмы покупают в США,
Японии, Европе.
А все началось с того, что Денис Шабратов и Аркадий Гологанов, молодые инженеры
Одного из оказавшихся в кризисе институтов Зеленограда, думая, как жить дальше,
Выбрали микромеханику. Они не без основания посчитали ее наиболее перспективным
Направлением.
"Мы не комплексовали, что придется соперничать с сильными конкурентами, -
Вспоминает Гологанов. - Конечно, наше оборудование уступает импортному, но, с
Другой стороны, это заставляет исхитряться, шевелить мозгами. А уж они-то у нас
Точно не хуже. И готовности пахать хоть отбавляй. Работали сутками, без
Выходных. Самым трудным оказалось даже не изготовить суперминиатюрный зонд, а
Продать Знаем, что наш лучший в мире, кричим о нем по Интернету, засыпаем
Клиентов факсами, словом, бьем ножками, как та лягушка, - ноль внимания"
Узнав, что один из лидеров по производству микроскопов - японская фирм "Джойл"
Ищет иглы очень сложной формы, они поняли, что это их шанс. Заказ стоил много
Сил и нервов, а получили гроши. Но деньги не были главным - теперь они могли во
Весь голос объявить: знаменитый "Джойл" - наш заказчик Подобным образом почти
Полтора года МДТ бесплатно изготавливала специальные зонды для Национального
Института стандартов и технологий США. И новое громкое имя появилось в списке
Клиентов.
"Сейчас поток заказов таков, что мы уже не можем удовлетворить всех желающих, -
Говорит Шабратов. - Увы, это специфика России. Опыт показал, у нас имеет смысл
Выпускать столь наукоемкую продукцию малыми сериями, массовое же производство -
Налаживать за рубежом, где нет срывов поставок, низкого их качества,
Необязательности смежников".
Возникновение сканирующей зондовой микроскопии удачно совпало с началом бурного
Развития компьютерной техники, открывающей новые возможности использования
Зондовых микроскопов. В 1998 году в Центре перспективных технологий (Москва)
Создана модель сканирующего зондо-вого микроскопа "ФемтоСкан-001", которым
Управляют также через Интернет. Теперь в любой точке земного шара исследователь
Сможет работать на микроскопе, а каждый желающий - "заглянуть" в микромир, не
Отходя от компьютера.
Сегодня подобные микроскопы используются только в научных исследованиях С их
Помощью совершаются наиболее сенсационные открытия в генетике и медицине,
Создаются материалы с удивительными свойствами. Однако уже в ближайшее время
Ожидается прорыв, и прежде всего, в медицине и микроэлектронике Появятся
Микророботы, доставляющие по сосу-Дам лекарства непосредственно к больным
Органам, будут созданы миниатюрные суперкомпьютеры.
