Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

Янг объединил в одном устройстве принципы и элементы, опробованные в других описанных выше электронных микроскопах: зонд, сканирование, игла, туннелирование электрона. Но если для Мюллера игла была объектом исследования, то Янг превратил ее в инструмент исследования, в зонд, который перемещался над поверхностью анализируемого образца. На иглу подавали отрицательный потенциал и измеряли силу электрического тока между поверхностью и иглой, обусловленного полевой эмиссией электронов с кончика иглы. В ходе экспериментов Янг также обнаружил, что при приближении иглы к поверхности все больший вклад в электрический ток вносит туннелирование электронов. Этот эффект имеет квантовую природу и выражается в “перескоке” электрона с кончика иглы-зонда на поверхность образца. Величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между иглой и поверхностью и при изменении расстояния всего лишь от полутора до одного нанометра увеличивается в тысячи раз.

Впрочем, Янг установил лишь предварительный вид этой зависимости, над ним довлела другая проблема – как обеспечить точное позиционирование кончика иглы над поверхностью образца. Для этого он использовал пьезоэлементы, сделанные на основе кристаллов, способных изменять свои линейные размеры под действием электрического напряжения. Три таких пьезоэлемента обеспечивали перемещение иглы в трех направлениях с точностью до одной сотой нанометра – уму непостижимо!

Кроме того, Янг предложил оригинальную технику сканирования. Казалось бы, чего тут выдумывать, закрепи образец строго горизонтально и проведи над ним иглу. Но на любой поверхности неизбежно присутствуют выступы, о которые игла может сломаться, и ямки. Так как сила тока резко зависит от расстояния, то глубокие и мелкие ямки будут малоразличимы. Янг проводил иглу над поверхностью таким образом, чтобы сила электрического тока оставалась постоянной. Это обеспечивалось разработанной им системой обратной связи, которая непрерывно перемещала иглу в вертикальном направлении над поверхностью образца, поднимая ее над выступами и опуская над ямками. Траектория движения кончика иглы в точности повторяла профиль поверхности.

Дополнительные технические сложности привнесло использование сверхнизких температур и высокого вакуума. На решение всех проблем ушло два года, в 1971 году Янг представил работающий образец топографинера, который обеспечивал определение шероховатости поверхности с разрешением по вертикали в три нанометра. Этого было явно недостаточно, чтобы разглядеть атомы на поверхности, но Янг на это и не замахивался. Он планировал продолжить работы по совершенствованию прибора, но у его начальства на этот счет было другое мнение. Работы по топографинеру были свернуты, а Янга перебросили на создание калибровочных стандартов для микроэлектронной промышленности.

Проблема анализа поверхности между тем становилась все более насущной. Особенно остро она стояла в компании IBM, производившей разнообразные микроэлектронные устройства. В Базеле, в Швейцарии, у IBM было специальное исследовательское подразделение, которое занималось, в частности, разработкой методов анализа полупроводниковых материалов. Руководил этими работами Генрих Рорер. В 1978 году он пригласил на работу молодого немецкого физика Герда Биннига, которому было суждено вписать одну из ярчайших страниц в развитие мировой науки.

Впрочем, этого ничто поначалу не предвещало. Родился Бинниг в 1947 году во Франкфурте-на-Майне, физикой увлекся в десятилетнем возрасте, но потом еще сильнее увлекся музыкой, футболом, плаванием. Физический факультет Франкфуртского университета он окончил без отрыва от выступлений со своей рок-группой. Эта веселая жизнь продолжилась и в аспирантуре, не образумила Биннига и ранняя женитьба. Занимался он в аспирантуре туннельной спектроскопией полупроводников, эта работа все больше приводила его к мысли, что он сильно ошибся с выбором профессии. Схоластика, рутина, никакого творчества!

Взялся за ум Бинниг, по его собственному выражению, под влиянием личного психоаналитика – жены Лоры. В 1978 году он таки защитил диссертацию и принял предложение Рорера поступить на работу в швейцарское отделение IBM. Биннигу было поручено придумать что-нибудь, что позволяло бы обнаруживать дефекты в сверхтонких пленках, нанесенных на поверхность металла или полупроводника. “Придумать” – это слово было для Биннига самым важным, он понял, что попал в нужное место. Он предложил использовать хорошо знакомый ему туннельный эффект и после детального изучения научной литературы принялся измерять величину туннельного тока в зависимости от удаления кончика иглы от поверхности. Многие сотрудники отделения сочли эту идею бредовой, некоторые прямо говорили Рореру, что он сделал ставку не на того человека, но Рорер идею поддержал и даже выделил Биннигу на подмогу молодого талантливого инженера Кристофа Гербера.