Увидеть СУТЬ ВЕЩЕЙ

Если ХХ век был эпохой революционных открытий практически во всех областях науки и техники, то ХХI обещает стать веком нанотехнологий. Еще в 1959 г. американский физик Ричард Фейнман предположил, что со временем многие материалы и приборы будут создаваться на молекулярном или даже атомарном уровне, что сулит фантастические перспективы. Но чтобы манипулировать столь малыми объектами, необходима измерительная и рабочая аппаратура нового поколения.

Реализовать замысел помог открытый в начале ХХ века туннельный эффект, возникающий между двумя проводящими веществами, расположенными на таком расстоянии, чтобы волновые функции электронов перекрывались. В результате выяснилось, что с помощью очень тонкой иглы можно получать информацию о строении материи на атомном уровне.

В 1966 г. американский ученый Рассел Янг сконструировал прибор, работающий по этому принципу, однако открытие не было востребовано. Второе свое рождение оно получило в 1981 г., когда специалисты Цюрихского объединения IBM Г. Бининг и Г. Рорер разработали прибор, действующий по аналогичному принципу, и назвали сканирующим туннельным микроскопом. Устройство позволяло наблюдать каждый атом в отдельности, причем в заданных точках. Рабочим органом прибора – зондом – служила токопроводящая металлическая игла. Зонд подводился к изучаемой поверхности очень близко – на десятые доли ангстрема, при подаче постоянного напряжения между ними возникал электрический ток. После компьютерной обработки информации о перемещении зонда можно было «увидеть» рельеф поверхности объекта с необходимым разрешением. Однако этот прибор имел ряд ограничений.

В 1986 г. в той же лаборатории были созданы зондовые микроскопы второго поколения – атомно-силовые. В них сканирующее устройство было устроено подобно патефону: острая иголочка (зонд) прикреплялась к одному концу плоской упругой пластинки из тонкой платиновой фольги – кантилевера, а другой ее конец крепили в держателе. В ходе сканирования игла, повторяя рельеф изучаемой поверхности, заставляла кантилевер колебаться и поворачиваться вокруг продольной оси.

В 1993 г. появились приборы, использующие резонансный метод, при котором измерения проводят вибрирующим кантилевером, колебания которого возбуждает внешний пьезогенератор. При его приближении к объекту характер колебаний становится иным, причем изменение амплитуды в основном зависит от рельефа поверхности, а фаза чувствительна к ее физическим свойствам.

Иглы различной модификации позволяют сканирующим зондовым микроскопам выявлять свойства исследуемых материалов. Например, если зонды имеют токопроводящую поверхность, можно измерить относительное распределение поверхностного сопротивления и емкости, а также электрические характеристики приповерхностных структур. Проводящими электрический ток зондами с диэлектрическим покрытием устанавливают распределение приповерхностных магнитных полей и емкости и т.д.

Зондовые микроскопы способны также модифицировать различные поверхности и менять их структуру, скажем, методом литографии с нанометровой точностью.

Сегодня различные СЗМ выпускает ряд иностранных фирм, таких как Digital Instruments, Molecular Imaging (США) и т.д.

Оригинал - www.sciam.ru