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

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

С основными типами сканирующих микроскопов – тун нельным и атомно силовым – мы уже знакомы, так что при же лании можно перечитать соответствующие параграфы первой главы, а здесь мы лишь вкратце напоминаем их суть.

Сканирующий туннельный микроскоп

Основой СТМ является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью, почти касаясь ее (зазор между иглой и поверхностью составляет менее одного нанометра). При этом вследствие туннельного эффекта между острием иглы и поверх ностью образца возникает туннельный ток.

Сильная зависимость туннельного тока от расстояния (при изменении зазора на одну деся тую нанометра ток изменяется в 10 раз) обеспе чивает высокую чувствительность микроскопа. Баланс иглы на столь малом расстоянии от ис следуемой поверхности обеспечивается следя щей системой, управляющей пьезоманипулято ром по результатам измерения туннельного то ка. Измеряя величины управляющих сигналов,

определяют высоту исследуемой области, а пе Рис 138. Схема работы ремещая иглу вдоль поверхности образца, опре СТМ деляют профиль поверхности с точностью до отдельных атомов.

Основанные на измерении туннельного тока изображения, получаемые с помощью этого микроскопа, дают информацию о пространственном распределении плотности электронных сос тояний вблизи поверхности. Образно говоря, туннельный мик роскоп как бы “видит” распределение электронных облаков вблизи поверхности.

Атомно силовой микроскоп

Сразу после изобретения туннельного микроскопа иссле дователи всего мира убедились, что это прибор необыкновенно замечательный, ведь до его появления еще никому не удавалось

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

рический ток. Поэтому когда с помощью СТМ принялись изу чать непроводящие вещества, их пришлось покрывать тонкой метал лической пленкой, что было не всегда удобно.

Но вот в конце 1986 Биннинг, один из изобретателей СТМ, предложил конструкцию нового сканирующего прибора, изме ряющего не туннельный ток, а силу связей между атомами ве щества. Новый прибор был назван атомным силовым микрос копом. В нем регистрируют изменения силы притяжения иглы к поверхности. Игла расположена на конце кантилевера, спо собного изгибаться под действием небольших межатомных сил, которые возникают между исследуемой поверхностью и кончи ком острия. Зонд “ощупывает” поверхность образца практи чески в буквальном смысле слова.

Мельчайшие отклонения кантилевера детектируются с по мощью лазерного луча, отражающегося от его тыльной поверх ности на фотодиод. По изменению показаний фотодиода судят о рельефе исследуемого объекта.

Типы кантилеверов

Атомно силовая микроскопия оказалась настолько эффек тивной, что на ее основе были созданы другие специфические методики, позволяющие получать картины не только рельефа поверхности, но и многих других показателей. В частности, на сегодняшний день наиболее распространены следующие раз новидности АСМ:

Магнитно*силовой микроскоп (МСМ) в качестве зонда использует намагниченное острие. Его взаимодействие с пове рхностью образца позволяет регистрировать магнитные микро поля и представлять их в качестве карты намагниченности.

Электро*силовой микроскоп (ЭСМ) — в нем острие и об разец рассматриваются как конденсатор и измеряется измене ние ёмкости вдоль поверхности образца.

Сканирующий тепловой микроскоп регистрирует распре деление температуры по поверхности образца. Его разрешение достигает порядка 50 нм, так как в меньших масштабах такая макроскопическая характеристика вещества как температура не применима.

Сканирующий фрикционный микроскоп “скребется” по поверхности, составляя карту сил трения.

234

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

Магниторезонансный микроскоп позволяет получать изображение спинов отдельных электронов, отслеживая реак цию поверхности на быстро изменяющееся магнитное поле зонда.

Атомно*силовой акустический микроскоп позволяет очень точно измерять модуль Юнга в каждой точке как мягких, так и твердых образцов.

Одним из недостатков АСМ является невозможность изу чить глубинную структуру образца – ведь зонд скользит по по верхности и не может заглянуть внутрь. Однако и это ограниче ние удалось обойти – ученые уже построили настоящий дизас* семблер, названный трехмерным атомно*зондовым томографом, который сканирует небольшой участок, потом «выщипывает» слой толщиной в один атом и сканирует участок снова, записы вая параметры каждого нового атома. Современные томографы успевают «выщипать» 20.000 атомов в секунду – т.е. 72 миллио на атомов в час.

Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля

Отдельного внима ния заслуживает оптический микроскоп ближнего поля (SNOM). По принципу действия он напоминает туннельный микроскоп, только в качестве зонда здесь приме няется очень тонкая “прозрачная игла” из оптоволокна, а вмес то туннельного тока регистрируются изменения характеристик проходящего по ней лазерного луча.

Каким же образом происходит сканирование объекта? Оп товолоконный зонд, сужающийся до диаметра меньше длины волны света, подносится вплотную к сканируемой поверхности (на расстояние меньше длины волны) и как бы “чувствует” по верхность. “Чувствовать” здесь означает буквально следующее: согласно законам оптики на границе раздела двух сред различ ной плотности (стекло/воздух) световой луч преломляется и от ражается от торца иглы. При этом световая волна не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка “вываливает ся” из его кончика.

На другом конце волновода установлен приемник отражен ного от свободного торца света. Зонд сканирует образец подоб но игле туннельного микроскопа, и если меняется расстояние между исследуемой поверхностью и кончиком зонда, то меня

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Рис 140. Схема работы оптического сканирующего микроскопа

ются и характеристики отраженной световой волны (амплитуда и фаза). Эти изменения регистрируются приемником и исполь зуются для построения изображения рельефа поверхности.

Разрешение, получаемое таким методом, достигает 50 нм, что на порядки превосходит разрешение обычного оптического микроскопа. Кроме того, оптическая микроскопия ближнего поля идеально подходит для исследования различных биообъ ектов, ведь при использовании простых световых волн биообъ ект не подвергается никакому разрушительному воздействию (в отличие от АСМ, где возможно механическое повреждение об разца, или электронной микроскопии с ее ионизирующим об лучением).

Недавно исследователи добились еще большего разреше ния SNOM, объединив ближнепольную оптическую микроско пию с многоножкой от IBM (см. главу «Наноэлектроника и НЭМС»). У такого гибридного прибора ожидается разрешение в 13 нм, что в десятки раз меньше длины световой волны!

Наноиндентор

Из главы “Нанохимия и наноматериалы” нам известно, что абсолютное большинство веществ в наноформе значительно отличаются по химическим свойствам от своего макроскопи ческого состояния, в частности, изменяется их каталитическая активность. Это объясняется тем, что удельная площадь пове рхности (доля поверхностных атомов) у нанообъектов значи тельно выше, чем у веществ в обычном состоянии.

То же самое справедливо и для механических свойств (твер дости, пластичности, упругости и т.п.). Результаты практичес ких опытов показали, что, абсолютное большинство материа лов в субмикронных масштабах ведут себя как предельно проч

236

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

ные, подобные алмазу, даже если в обычном состоянии являют ся мягкими материалами (как, например, пластилин). Другими словами, в условиях наноконтакта твердость материала может во много раз превышать его макроскопическую твердость. Осо бенно сильно это проявляется в областях с характерными раз мерами менее 100 нм. Наглядной моделью этого поразительно го, на первый взгляд, процесса может служить пружина: гораз до легче сжать металлическую пружину, чем сам материал, из которого она состоит.

Для исследования ме ханических свойств раз личных материалов в на нометровом диапазоне широко применяется спе циальный метод опреде ления микротвердости ве щества – наноиндентиро* вание (от англ. “indent” – выдалбливать, образовы вать выемку).

Наноиндентирование осно вано исключительно на меха ническом воздействии на исследуемую поверхность и не требу ет визуализации ее рельефа. Метод очень прост и заключается в прецизионном погружении зонда в поверх ность образца на глубину нескольких нм и непре рывной регистрации прилагаемого усилия.

Затем по этим данным строит ся диаграмма “сила давления – глу* бина погружения”, из которой мож но извлечь десятки параметров, ха рактеризующих материал на нано метровом уровне!

Этот простой и дешевый спо соб позволяет, имея в распоряже нии минимум материала, произво дить комплексные исследования его поверхностных свойств. Нано индентирование позволяет иссле