Нанотехнологии. Правда и вымысел

Возможности сканирующего туннельного микроскопа выходят далеко за задачи микроскопических (точнее, наноскопических) наблюдений. При точном позиционировании зонда над конкретной молекулой и необходимом напряжении можно с его помощью «рассечь» молекулу на отдельные части, оторвав от нее несколько атомов, и исследовать их электронные свойства. Экспериментально установлено, что, прикладывая к зонду необходимое напряжение, можно заставить атомы притягиваться к острию зонда или отталкиваться от него, а также передвигаться вдоль поверхности.

Сканирующий туннельный микроскоп стал базовой моделью семейства более совершенных сканирующих микроскопов ближнего поля с зондами-остриями. Задача дальнейших разработок диктовалась стремлением избавиться от основного недостатка прототипа — необходимости электропроводности объектов, так как даже проводники и полупроводники часто покрыты изолирующим слоем оксидных пленок. Особенно это актуально для исследования полимерных и биологических материалов, большинство из которых также не являются электропроводными.

Создание под руководством Г. Биннига атомного силового микроскопа (АСМ) в 1986 году позволило не только рассматривать любые объекты, но и осуществлять необходимые взаимодействия с их поверхностью на наноуровне. Общий вид и зона измерительной головки сканирующего зондового микроскопа представлены на рис. 34.

Рис. 34. Общий вид и зона измерительной головки сканирующего зондового микроскопа Р47Н: 1 — устройство позиционирования с предметным столиком (позиционер); 2 — металлические стойки; 3 — виброзащитный подвес; 4 — измерительная сканирующая головка; 5 — блок подвода образца (привод); 6 — резиновый диск

Принцип действия АСМ основан на использовании сил межатомных связей вещества. На малых расстояниях между двумя атомами (около 1 А = 10-8 см) возникают силы отталкивания, а на больших — силы притяжения. Как известно, аналогичные силы действуют между любыми сближающимися телами. При работе АСМ такими телами служат сканируемая поверхность 3 и зонд в виде алмазной иглы 1, который плавно скользит над поверхностью образца (рис. 35). Фактически это та же игла, которая используется в сканирующем туннельном микроскопе. Электронное облако острия алмаза оказывает давление на электронные облака (электрон 2) отдельных атомов образца, порождая отталкивающую силу, которая меняется в соответствии с рельефом поверхности. Эта сила отклоняет кончик острия, а его перемещения регистрируются с помощью датчиков.

Рис. 35. Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ): 1 — игла зонда; 2 — электрон; 3 — исследуемая поверхность

В качестве датчиков АСМ могут использоваться любые прецизионные измерители перемещений, например оптические, емкостные или туннельные.

Наиболее распространенным зондовым датчиком атомно-силового взаимодействия является пружинный кантилевер с расположенным на его конце зондом.

Кантилевер представляет собой массивное прямоугольное основание с габаритными размерами примерно 1,5Х3,5Х0,5 мм и выступающей из него балкой (собственно кантилевером) шириной до 0,03 мм и длиной порядка 0,1–0,5 мм. Одна из сторон балки является зеркальной, что позволяет использовать оптическую систему, контролирующую изгиб кантилевера. На противоположном свободном конце балки находится игла, взаимодействующая с измеряемым образцом. Радиус острия иглы промышленных кантилеверов составляет 5-50 нм, лабораторных — от 1 нм. Как правило, вся конструкция, за исключением, быть может, иглы, — это кремниевый монокристалл.

Механизм обратной связи реагирует на изменения оптического хода луча и воздействует на пьезоэлектрический преобразователь, регулирующий высоту, на которой находится образец, так что отклонение держателя остается постоянным.

В АСМ сканирование исследуемой поверхности происходит по «поверхности постоянной силы», тогда как в СТМ — по «поверхности постоянного туннельного тока». Принципы же прецизионного управления, основанного на обратной связи и улавливающего наноскопические изменения рельефа поверхности, в СТМ и АСМ практически одинаковы.

Атомно-силовой датчик (рис. 36) представляет собой чувствительный зонд в виде иглы 1 , позволяющий регистрировать силы взаимодействия между отдельным атомами. Во время сканирования образца зонд перемещается вдоль поверхности 2 , при этом напряжение на z-электроде сканера 3 регистрируется с помощью луча лазера 4 и записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности.