Нанонауки

Во всех только что описанных микроскопах источник излучения заметно удален от экрана, на котором и наблюдаются результирующие изображения. А что, если приблизить иглу к металлическому экрану? Игла и экран оказываются обкладками конденсатора, которые могут быть электрически заряжены и между которыми может возникнуть напряжение. К примеру, при напряжении порядка 1 В на обкладках конденсатора скапливается несколько электронов (если расстояние между иглой и поверхностью поддерживается в пределах нескольких нанометров). Поскольку напряжение поляризации (напряжение между обкладками конденсатора) мало, электроны не стекают с иглы — в отличие от электронного микроскопа.

Но этот малюсенький конденсатор страдает одним изъяном: он так мал, что обкладки электрически — точнее, «электронно» (посредством электронов) — взаимодействуют через промежуток между иглой и поверхностью. Это значит, что электрон «не знает», на какой он обкладке. «Неведение» это квантовой природы, и выражается оно в токе утечки ничтожной силы, а само явление называется туннельным эффектом. При напряжении поляризации в 1 В и расстоянии между иглой и поверхностью в 1 нм сила тока утечки имеет величину порядка 1 нА и уменьшается по мере удаления иглы от поверхности. Хотя ток силой в наноампер кажется ничтожно малым, сама эта величина означает, что за секунду между иглой и поверхностью перемещается порядка 10¹⁰ электронов. Однако нашлись люди, превратившие этот порок в добродетель, — ими были Генрих Рорер и Герд Бинниг, работавшие в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе.

В конце 1970-х годов Рорер заинтересовался дефектами сверхтонких изолирующих пленок, нанесенных на поверхность металла или полупроводника. Размеры этих дефектов часто не превышали 10 нм, но они сильно вредили магнитной памяти и миниатюрным транзисторам. Однако в то время исследование строения этих изъянов с помощью любого микроскопа — во всяком случае, без разрушения самих дефектов — было невозможно.

Бинниг и Рорер решили как-то воспользоваться током утечки, возникающим из-за туннельного эффекта, который вполне мог сообщать и о качествах дефектов, и о расстоянии от кончика иглы до поверхности — речь, словом, шла об определении рельефа исследуемого образца. В работе к ним присоединился инженер-исследователь Кристоф Гербер, тоже трудившийся на IBM. Втроем они собрали из подвернувшихся под руку деталей прибор с очень тонкой и длинной иглой, которую можно было, по желанию, поднимать и опускать над поверхностью, и устройством для замера ничтожно малых токов — порядка наноампера. Они рассчитывали, что, сканируя поверхность иглой, то есть перемещая иглу над поверхностью так, чтобы покрыть всю ее площадь, и замеряя при этом силу туннельного тока, удастся построить, строка за строкой, все изображение обследуемой площадки, подобно тому как это происходит в сканирующем электронном микроскопе.

Рорер, Бинниг и Гербер строили пробный образец своего прибора три года. В 1981 году они экспериментально проверяли закон зависимости силы туннельного тока от расстояния между иглой и поверхностью. Оказалось, что сила тока уменьшается в 10 раз, если между иглой и поверхностью остается только 0,1 нм. Надо думать, для того чтобы уверенно называть такие цифры, требуется небывалая точность позиционирования иглы: нужно не только подвести иглу к поверхности, но и сохранять заданное расстояние по ходу сканирующих метаний — по горизонтали и по вертикали — иглы над поверхностью. Помогли три стерженька из материала, почти не деформирующегося под напряжением.

Сканирование производится при поддержании постоянной силы туннельного тока: игла поднимается над бугорками и опускается над впадинами сканируемой поверхности. Но если экспериментаторы рассчитывали обнаружить на обследуемой «гладкой» площадке своего образца правильную череду ступенек, то линии развертки, полученные осенью 1982 года, показали вереницу бугорков. Профиль, зарегистрированный прибором, отобразил точную атомную топографию просканированного кристалла! Так родился туннельный микроскоп, создатели которого в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике.

Из вышесказанного ясно, что туннельный микроскоп относится к микроскопам ближнего поля: кончик иглы удерживается близ обследуемой поверхности. Если нечаянно или еще почему-то игла коснется поверхности, сила тока мгновенно увеличится до величин порядка 100 мкА, что в сто тысяч раз больше туннельного тока. Прибор оснащен специальной амортизацией, оберегающей иглу от внешних механических колебаний.