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

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

обязательно электропроводящие. Сегодня именно он представ ляет наибольший интерес для исследователей.

Принципы действия атомно силового и туннельного мик роскопов практически одинаковы, только в отличие от тун нельного работа атомно силового микроскопа основана на ис пользовании сил межатомных связей. На малых расстояниях (около 0,1 нм) между атомами двух тел действуют силы отталки вания (рис. 12а), а на больших – силы притяжения (рис. 12б).

Рис 12. Принцип действия АСМ

В сканирующем атомно силовом микроскопе такими тела ми служат исследуемая поверхность и скользящее над нею ост рие. В качестве зонда в АСМ обычно используется алмазная иг ла. При изменении силы F, действующей между поверхностью

иострием, пружинка, на которой оно закреплено, отклоняется,

иэто регистрируется датчиком. Величина отклонения упругого элемента (пружинки) несет информацию о рельефе поверхности.

На рисунке представлена кривая зависимости межатомной силы от расстояния между острием иглы и образцом.

По мере приближения иглы к поверхности ее атомы все сильней притягиваются к атомам образца. Сила притяжения будет возрастать, пока игла и поверхность не сблизятся нас только, что их электронные облака начнут отталкиваться элект ростатически. При дальнейшем сближении электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются на расстоянии между атомами около 0,2 нм.

Подобно СТМ в АСМ сканирование поверхности может про исходить двумя способами: сканирование кантилевером (зондом)

исканирование подложкой. В первом случае вдоль исследуемой поверхности движется кантилевер, во втором относительно не

28

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

четырёхсекционный фотодиод.

Таким образом, малейшие отклонения кантилевера приво дят к смещению луча лазера относительно секций фотодиода, что, в свою очередь, меняет сигнал с фотодиода, показывающе го смещения кантилевера в ту или иную сторону. Такая система позволяет измерять отклонения луча на угол 0.1”, что соответ ствует отклонению кантилевера всего на сотые доли нанометра!

Поскольку АСМ не требует, чтобы образцы были проводя щими, он позволяет исследовать свойства проводников и изо ляторов, молекул ДНК и других мягких материалов.

Дальнейшее развитие зондовой микроскопии по казало, что изложенный принцип может быть реали зован практически для любо го вида взаимодействия ост рия зонда с поверхностью. Это привело к созданию це лого ряда различных подви дов микроскопов, носящих общее название – сканирую

щие зондовые микроскопы (СЗМ). Сегодня наиболее известны следующие их разновидности:

туннельные зонды;

атомно силовые зонды;

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

оптические зонды ближнего поля;

магнитные силовые зонды;

электростатические силовые зонды и др.

К более подробному изучению некоторых типов СЗМ мы обратимся в одной из следующих глав, а пока представляем об щую схему СЗМ.

Рис 15. Общая схема работы СЗМ

В конструкции каждого сканирующего зондового микроско па есть свои особенности. Однако общая схема остается более или менее одинаковой. В состав СЗМ обычно входит компьютер, который управляет работой электромеханической части микрос копа, принимает и записывает регистрируемые зондом данные и производит на их основе построение СЗМ изображения. Кроме того, специальное программное обеспечение позволяет исследо вателю как угодно манипулировать полученным изображением (масштабировать, поворачивать, строить сечения и т.п.) чтобы проанализировать наблюдаемую картину поверхности.

Терминология, сложившаяся в сканирующей зондовой микроскопии, несет на себе отпечаток своего англоязычного происхождения. Так, часто острие сканирующей иглы называ ется “типом” (tip), а консоль – “кантилевером” (cantilever).

Сегодня СЗМ являются основными инструментами нано технологии. Благодаря значительным усовершенствованиям

30

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

они позволяют изучать не только топологию (геометрические свойства) исследуемых объектов, но и массу других характерис тик: магнитные и электрические свойства, твердость, однород ность состава и др., и все это с нанометровым разрешением!

Кроме определения различных параметров, современные СЗМ позволяют манипулировать нанообъектами, обеспечивать захват отдельных атомов и перенос их в новую позицию, произво дить атомарную сборку проводников шириной в один атом, прида вая поверхностям различных предметов новые нужные качества.

Существуют два основных способа манипуляции атомами с помощью иглы СТМ: горизонтальный и вертикальный. При вер тикальной манипуляции после захвата нужный атом отрывают от поверхности, поднимая зонд на несколько ангстрем. Отрыв атома от поверхности контролируют по скачку тока. Разумеет ся, отрыв и перетаскивание атома требует больших усилий, чем просто его “перекатывание” по поверхности, как при горизон тальной манипуляции, но зато потом процесс переноса не за висит от встречающихся на поверхности препятствий (ступе ней, ям, адсорбированных атомов). После перемещения в не обходимое место атом “сбрасывают”, приближая острие к по верхности и переключая напряжение на игле.

Сегодня в мире в широком ассортименте выпускаются СЗМ и принадлежности к ним. Среди наиболее известных фирм можно назвать Digital Instruments, Park Scientific Instruments, Omicron, Topometrix, Burleigh и др. Цены на них колеблются в широких пределах — от 40 тыс. долл. за простейший АСМ до 100–200 тыс. долл. и выше в зависимости от комплектации и спектра решаемых задач. В России СЗМ изготавливают фирмы Нанотехнология МДТ, Концерн Наноиндустрия и др.

Между прочим, нельзя не отметить один интересный факт: в сказке Н. Лескова “Левша” первый русский нанотехнолог, су мевший подковать блоху, утверждает, что увидеть надписи на гвоздиках, которыми подкована блоха, можно только в мелкос коп с увеличением в 5 миллионов раз, что в точности соответ ствует увеличению современного СТМ!

Самосборка

Чтобы материалы обладали высоким качеством, они долж ны быть хорошо структурированы на уровне атомов и молекул.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Одним из нанотехнологических способов создания таких за данных структур является самосборка.

Самосборка широко распространена в живой природе. Структура всех тканей определяется их самосборкой из клеток, структура самих клеток определяется самосборкой из отдель ных молекул и т.д.

Механизм самосборки наносистем в природе подтолкнул исследователей к попытке “скопировать” его принципы для построения искусственных наноструктур. Так, в настоящее вре мя достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитиру ющего естественную костную ткань. Для этого использовалась самосборка волокон около 8 нм диаметром, имитирующих есте ственные волокна коллагена. К полученному материалу хорошо прикрепляются естественные костные клетки, что позволяет ис пользовать его как “клей” или “шпатлёвку” для костной ткани.

Очень развита электростатическая самосборка, позволяю щая изменять материал в реальном времени. Основой для это го служит управление разностью потенциалов, приложенных к материалу с наночастицами внутри.

Наноэффекты в природе: удивительные лапки

“Длина его составляет от 8 до 30 см. Голова довольно широ ка и сильно сплющена, глаза без век со щелевидным зрачком, шея коротка, тело толстое и сплющенное, хвост умеренной длины, по большей части весьма ломкий. Тело покрыто мелки ми бугорчатыми и зернистыми чешуйками. Водятся в теплых странах Старого и Нового света”…

Речь идет о гекконе – безобидной красивой ящерке, давно привлекающей внимание ученых своей уникальной способ ностью лазать как угодно и где угодно. Гекконы не только взби раются по отвесным стенам они с такой же легкостью ходят по потолку или оконному стеклу.

Долгое время ученые не могли понять, каким образом гек кон бегает по совершенно гладкому вертикальному стеклу, не падая и не соскальзывая. Было предпринято много попыток объяснить этот природный феномен.

Сначала полагали, что весь секрет в уникальных присосках, которыми снабжены лапки животного. Но выяснилось, что на

32