Журнал «Вокруг Света» № 6 за 2005 год (2777)

Журнал Вокруг Света

Что видят микроскопы

Туннельные микроскопы, как правило, работают в вакууме, поскольку только так можно получить атомарно чистые поверхности, не замусоренные адсорбированными газами. Исключением здесь является пиролитический графит. При отщеплении верхних слоев от этого монокристалла углерода открываются абсолютно гладкие кусочки его поверхности. Атомы на таких образцах можно различить и на воздухе, поскольку все ковалентные связи у пограничных атомов углерода заняты и они не могут химически соединиться с бомбардирующими их молекулами окружающих газов.

Понимание того, что же видят эти микроскопы, пришло не сразу. Некоторые специалисты полагали, что наблюдаемые картинки – не более чем артефакты или же результаты компьютерной обработки данных… Первое сообщение о наблюдении перегруппировки атомов на поверхности кристалла кремния

было сделано в 1981 году Гердом Биннигом и Генрихом Рорером – будущими лауреатами Нобелевской премии. Получить подобные результаты на других поверхностях их коллегам удалось лишь через два года. А дальше начался не прерывающийся и сегодня бум в области сканирующей зондовой микроскопии.

Не остались в стороне и теоретики. Они достаточно быстро решили задачу о прохождении электронов через зазор между острием зонда и исследуемой поверхностью. Получаемые сегодня картинки в СЗМ интерпретируют как изображения электронной плотности свободных носителей заряда на поверхности металла. Сканирующий микроскоп, удерживая постоянную величину туннельного тока, рисует ту поверхность, на которой вероятность пребывания электронов постоянна, то есть, по сути, ту самую псифункцию, которую используют для описания поведения квантовых объектов.

Отказ от тока

Туннельный ток и пьезопривод не только позволили увидеть, как лежат атомы на поверхности, но и дали возможность проведения простейших манипуляций с этими атомами. Подавая большее или меньшее напряжение, локально разогревают поверхность образца и испаряют отдельные атомы. Используют и чисто механический захват атомов и даже нанолитографию. Причем рисуют как прямым царапаньем и постукиванием, так и с помощью электрического тока и локальных химических реакций.

Ученые и технологи активно занялись изучением поверхностных свойств самых разнообразных электропроводящих материалов, проверяя свои физические модели и совершенствуя технологии. Сверхвысокий вакуум и сверхнизкие температуры достаточно быстро стали обычными атрибутами сканирующих зондовых микроскопов. Однако аппетит, как известно, приходит во время еды, и тот факт, что данный класс приборов плохо работает на воздухе и не позволяет исследовать не проводящие ток образцы, заставлял специалистов искать достойную замену туннельному току.

В своей нобелевской речи авторы изобретения – Герд Бинниг и Генрих Рорер сказали, что им понадобилось всего 27 месяцев, чтобы пройти путь от сформулированной концепции построения до реально работающего прибора. Туннельный ток оказался очень хорошим индикатором контакта двух поверхностей, и, хотя практически сразу стало понятно, что это далеко не единственный способ «увидеть» атомы, избавиться от него оказалось не так просто.

Создание атомно-силового микроскопа (АСМ), способного чувствовать силы притяжения и отталкивания, возникающие между отдельными атомами, затянулось на целых 5 лет, и только в 1986 году коллектив под руководством Герда Биннига смог получить изображения непроводящих поверхностей с атомарным разрешением. Причем в первом АСМ обойтись без туннельного эффекта не удалось и в состав «новомодного» микроскопа вошел «старинный» СТМ, задачей которого являлось измерение силы взаимодействия зондового острия и исследуемой поверхности.

Очередная высота была успешно взята, и по проторенной дороге вперед двинулись тысячи исследователей и десятки производителей. Менее чем за десять лет развития, то есть к началу 90-х, зондовая микроскопия освоила практически все возможные виды взаимодействия между острием и поверхностью. Сегодня эти приборы умеют рисовать распределение электронной плотности проводников и топографию любых твердых материалов, магнитные домены в ферромагнетиках и электрические в сегнетоэлектриках, краску в стеклах и примеси в полупроводниках. Из уникального изделия за миллион долларов сканирующий микроскоп очень быстро превратился в обычный прибор, стоящий не дороже хорошего осциллографа.

Макроскопическая жесткость

Идея построения атомно-силового микроскопа удивительно проста, и только отсутствие смелости и уверенности в успехе не позволили ученым начала XX века создать такой прибор. Сердце любого АСМ – достаточно миниатюрный и мягкий кантилевер с острой иголочкой, то есть такая маленькая дощечка с гвоздем на конце, которая «ощущает» атомы, сидящие в кристаллической решетке. Сами межатомные силы крайне малы и не превышают десятка нН (10-9H), однако появляются они при микроскопических же перемещениях – десятых долей нм. В результате эффективная жесткость отдельно взятого

атома оказывается макроскопической величиной – 10—100 Н/м! Это, кстати, очень близко к жесткости пружинки, используемой в шариковой ручке. А группа из ста атомов будет сопротивляться своей деформации уже как пружина передней подвески «Жигулей», жесткость которой 30 000 Н/м. Таким образом, поделив одну очень малую величину на другую, мы получаем большое значение жесткости области атомарного контакта двух твердых тел. Жесткость – это вполне осязаемая физическая величина и, взяв мягкую «пружинку» (так называемый кантилевер), можно, коснувшись поверхности всего парой атомов, почувствовать момент этого контакта. В первом АСМ прогиб маленькой пружинки (кусочка тонкой металлической фольги) измеряли с помощью туннельного тока, возникавшего между этой фольгой и острием пристроенного к ней СТМ. В следующих версиях наноперемещения упругого кантилевера стали измерять с помощью оптического интерферометра. Сегодня все стало совсем просто: угол изгиба кремниевого кантилевера измеряют с помощью луча лазерного светодиода, отражающегося от его зеркальной поверхности на четыре приемных фотодиода. Это устройство очень напоминает игру с солнечным зайчиком: когда от небольшого поворота зеркала он скачет на огромные расстояния. На похожем принципе работает и лазерная головка в проигрывателях CD– и DVD-дисков. Жесткость у атома достаточно велика, но если мы хотим измерить его истинное положение, сильно давить на него всетаки нельзя. Поэтому используемые в АСМ зонды имеют действительно микроскопические размеры и изготавливаются по той же технологии, что и основные элементы современной микроэлектроники. Длина кантилевера, предназначенного для исследования поверхности, составляет 100—300 мкм, ширина 20—60 мкм, а толщина всего 1—2 мкм. Жесткость этих маленьких гибких пружинок не превышает 100 Н/м и может опускаться до 0,1 Н/м, а резонансная частота изменяется от сотен до десятков кГц. На кончике кантилевера располагается микроиголочка длиной 10– 15 мкм с радиусом кривизны острия всего 10 нм! Такой тонкий зонд (кантилевер) настолько мягок, что его заметно изгибают даже силы притяжения Ван-дер-Ваальса, возникающие между атомами кончика иголочки и исследуемой поверхности. Режим работы, когда ориентируются именно на такой изгиб зонда, называется бесконтактной модой. Работая в контактной моде, АСМ по-простому прижимается иглой к образцу, немного изгибая кантилевер. Силу прижима при этом выбирают исходя из прочностных свойств материала. В результате современные АСМ измеряют форму поверхности, просто скользя этой иголочкой вдоль образца и следя за тем, чтобы угол изгиба кантилевера имел постоянную величину. Для того чтобы различать отдельные атомы, АСМ, как и СТМ, приходится помещать в вакуум и использовать достаточно мягкие кантилеверы. Однако для многих интересных технологических применений атомарное разрешение совсем не нужно и вполне достаточно нанометрового или даже на порядок худшего – 0,01 мкм. При таких вольготных технических требованиях конструкция АСМ упрощается настолько, что это устройство легко умещается вместе с управляющим ноутбуком в небольшую походную сумку.

Зондирующий колокольчик

«Сухой» контакт, возникающий между иглой и поверхностью, в контактной моде АСМ оказался очень неприятной вещью. Мало того что игла в таком режиме работы стирается и тупится, она к тому же активно перемещает адсорбированные атомы по поверхности образца и рвет биологические молекулы, лежащие на гладкой рабочей поверхности. Избавиться от этого неудобства удалось достаточно изящным способом: кантилевер с иголочкой на конце заставили колебаться на резонансной частоте с амплитудой в несколько десятков нм. Такой режим работы АСМ называют таппинг-модой, поскольку зонд как бы обстукивает исследуемую поверхность своей иголочкой.

Понять, почему такой колеблющийся кантилевер будет хорошо чувствовать поверхность, легко: достаточно коснуться звенящего колокольчика рукой. Колокольчик мгновенно замолчит, так как его колебания быстро затухнут, поскольку энергия начнет «уходить» в руку.

Колеблющийся зонд очень полюбился физикам, биологам и технологам, и сегодня именно такой режим работы чаще всего используется в АСМ. Возбуждая зонд на резонансной частоте и следя не только за амплитудой, но и за частотой собственных колебаний кантилевера, можно получить дополнительную информацию о механических свойствах исследуемого материала. С помощью иголочки, которая ударяет по поверхности сотни тысяч раз в секунду, как правило, не удается увидеть отдельные атомы, но это не так уж и важно для большинства технологических применений АСМ.