Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Английский физик Джон Рэлей в 70 х годах XIX века сформулировал принцип, в соответствии с которым предельное разрешение микроскопа не может быть больше половины длины волны освещающего объект света. Например, если освещать объект красным лазером с длиной волны =650 нм, то предел разрешения окажется в 325 нм.

Это досадное препятствие объясняется явлением дифракции света: изображение точки даже в идеальном, не вносящем ника ких искажений объективе, не воспринимается глазом как точка, так как вследствие дифракции является, фактически, круглым светлым пятнышком конечного диаметра, окруженным нес колькими попеременно тёмными и светлыми кольцами. Если же две светящиеся точки расположены на очень близком расстоя нии друг от друга, то их дифракционные картины накладывают ся одна на другую, давая в результате весьма размытое изображе ние со сложным распределением освещенности.

В погоне за все более высоким оптическим разрешением микроскописты шли на самые разные технические ухищрения. В частности, была доведена до предела длина облучающего све та, что привело к созданию ультрафиолетовой микроскопии (280 300 нм), позволяющей визуализировать объекты размером 150 170 нм. Но, несмотря на то, что ультрафиолетовые микрос копы почти вдвое превосходят обычные по разрешающей спо собности, они обладают одним серьезным недостатком: ультра фиолет повреждает биообъекты, поэтому такие микроскопы со вершенно не подходят для биотехнологических исследований.

Электронный микроскоп

Для изучения нанообъектов разрешения оптических мик роскопов (даже использующих ультрафиолет) явно недостаточ но. В связи с этим в 1930 х гг. возникла идея использовать вмес то света электроны, длина волны которых, как мы знаем из квантовой физики, в сотни раз меньше, чем у фотонов.

Как известно, в основе нашего зрения лежит формирование изображения объекта на сетчатке глаза световыми волнами, отра женными от этого объекта. Если, прежде чем попасть в глаз, свет проходит сквозь оптическую систему микроскопа, мы видим уве личенное изображение. При этом ходом световых лучей умело управляют линзы, составляющие объектив и окуляр прибора.

228

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

Но как же можно получить изображение объекта, причём с гораздо более высокой разрешающей способностью, используя не световое излучение, а поток электронов? Другими словами, как возможно видение предметов на основе использования не волн, а частиц?

Ответ очень прост. Известно, что на траекторию и скорость электронов существенно влияют внешние электромагнитные поля, с помощью которых можно эффективно управлять дви жением электронов.

Наука о движении электронов в электромагнитных полях и о расчёте устройств, формирующих нужные поля, называется

электронной оптикой

Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптичес кими линзами. Поэтому в электронном микроскопе устройства фокусировки и рассеивания электронного пучка называют “электронными линзами”.

Рис 136. Электронная линза. Витки проводов катушки, по которым проходит ток, фокусируют пучок электронов так же, как стеклянная линза фокусирует световой пучок

Магнитное поле катушки действует как собирающая или рассеивающая линза. Чтобы сконцентрировать магнитное поле, катушку закрывают магнитной «броней» из специального ни кель кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор во внут ренней части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10–100 тыс. раз сильнее, чем магнитное поле Земли!

К сожалению, наш глаз не может непосредственно воспри нимать электронные пучки. Поэтому они используются для “рисования” изображения на люминесцентных экранах (кото рые светятся при попадании электронов). Кстати, тот же прин цип лежит в основе работы мониторов и осциллографов.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Существует большое количество различных типов элект ронных микроскопов, среди которых наиболее популярен

растровый электронный микроскоп (РЭМ). Мы получим его уп рощенную схему, если поместим изучаемый объект внутрь электронно лучевой трубки обыкновенного телевизора между экраном и источником электронов.

В таком микроскопе тонкий луч электронов (диаметр пуч ка около 10 нм) обегает (как бы сканируя) образец по горизон тальным строчкам, точку за точкой, и синхронно передает сиг нал на кинескоп. Весь процесс аналогичен работе телевизора в процессе развертки. Источником электронов служит металл (обычно вольфрам), из которого при нагревании в результате термоэлектронной эмиссии14 испускаются электроны.

Рис 137. Схема работы растрового электронного микроскопа

При прохождении электронов через образец одни из них рассеиваются из за столкновений с ядрами атомов образца, другие – из за столкновений с электронами атомов, а третьи проходят сквозь него. В некоторых случаях испускаются вто ричные электроны, индуцируется рентгеновское излучение и

14 Термоэлектронная эмиссия – выход электронов с поверхности проводников. Число вышедших электронов мало при Т=300K и экспоненциально растет с повышением температуры.

230

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

т.п. Все эти процессы регистрируются специальными детекто рами и в преобразованном виде выводятся на экран, создавая увеличенную картинку изучаемого объекта.

Увеличение в данном случае понимается как отношение размера изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце. В связи с тем, что длина волны электрона на порядки меньше, чем фотона, в современных РЭМ это увели чение может достигать 10 миллионов15, соответствуя разреше нию в единицы нанометров, что позволяет визуализировать от дельные атомы.

Главный недостаток электронной микроскопии – необхо димость работы в полном вакууме, ведь наличие какого либо газа внутри камеры микроскопа может привести к ионизации его атомов и существенно исказить результаты. Кроме того, электроны оказывают разрушительное воздействие на биоло гические объекты, что делает их неприменимыми для исследо вания во многих областях биотехнологии.

История создания электронного микроскопа – замечатель ный пример достижения, основанного на междисциплинарном подходе, когда самостоятельно развивающиеся области науки и техники, объединившись, создали новый мощный инструмент научных исследований.

Вершиной классической физики была теория электромаг нитного поля, которая объяснила распространение света, электричество и магнетизм как распространение электромаг нитных волн. Волновая оптика объяснила явление дифракции, механизм формирования изображения и игру факторов, опре деляющих разрешение в световом микроскопе. Успехам кван товой физики мы обязаны открытием электрона с его специфи ческими корпускулярно волновыми свойствами. Эти отдель ные и, казалось бы, независимые пути развития привели к соз данию электронной оптики, одним из важнейших изобретений которой в 1930 х годах стал электронный микроскоп.

Но и на этом ученые не успокоились. Длина волны элект рона, ускоренного электрическим полем, составляет несколько нанометров. Это неплохо, если мы хотим увидеть молекулу или даже атомную решетку. Но как заглянуть внутрь атома? На что похожа химическая связь? Как выглядит процесс отдельной хи

15 При увеличении в 10 миллионов раз арбуз "вырастает" до размеров Луны.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

мической реакции? Для этого сегодня в разных странах ученые разрабатывают нейтронные микроскопы.

Нейтроны обычно входят в состав атомных ядер наряду с протонами и имеют почти в 2000 раз большую массу, чем элект рон. Те, кто не забыл формулу де Бройля из квантовой главы, сразу сообразят, что и длина волны у нейтрона во столько же раз меньше, то есть составляет пикометры тысячные доли нано метра! Тогда то атом и предстанет исследователям не как расп лывчатое пятнышко, а во всей своей красе.

Нейтронный микроскоп имеет много плюсов – в частнос ти, нейтроны хорошо отображают атомы водорода и легко про никают в толстые слои образцов. Однако и построить его очень трудно: нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому преспокойно игнорируют магнитные и электрические поля и так и норовят ускользнуть от датчиков. К тому же не так то просто выгнать большие неповоротливые нейтроны из атомов. Поэтому сегодня первые прототипы нейтронного микроскопа еще весьма далеки от совершенства.

Сканирующая зондовая микроскопия

Представьте, что вам завязали глаза и попросили как можно подробнее описать некоторый предмет. Каковы будут ваши действия? Конечно, сначала вы хорошенько ощупаете его, постаравшись получить хоть какую то информацию. При этом получить сведения о некоторых свойствах данного пред мета вам, конечно же, не удастся (например, о его цвете). Тем не менее, вы сможете рассказать многое о форме предмета, его

размерах, температуре, твердости, материале, из которого он сделан, и т.п.

Принцип подобного “ощупывания” поверхности лежит в основе так называемых сканирующих зондовых микроскопов, определяющих мельчайшие неровности поверхности, ведя по ней кончиком сверхтонкого зонда.

Сканирующие зондовые микроскопы обеспечивают атомарное разрешение и работают не только в вакууме, но и в газовой и жидкой среде. Сегодня они являются основным аналитическим оборудованием нанотехнологов

232