Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

Эрлих Генрих Владимирович

А те продолжали работать. Следующий важный прорыв связан с именем американского исследователя Рассела Янга. Его путь в науку был долог. Юность Янга пришлась на Вторую мировую войну. Три года он прослужил в войсках противовоздушной обороны и лишь в 1953 году смог окончить Политический институт Ренсселира. Диссертацию защитил в Пенсильванском университете в 1959 году. Возможно, вы уже догадались, кто был его научным руководителем, – Эрвин Мюллер, который вообще воспитал очень много высококлассных специалистов. В 1961 году Янг перешел на работу в Национальное бюро стандартов, которое в США не только плодит бумаги, но и разрабатывает новые методы анализа и соответствующее оборудование. Янгу выпало заниматься изучением характеристик поверхности различных

материалов. В 1969 году он вместе со своими сотрудниками Джоном Уордом и Фредериком Скайром сконструировал прибор, названный ими топографинером.

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.

Можно сказать, что они повторили работу Рассела Янга, но на более высоком научном и техническом уровне. Они взяли у него идею иглы-зонда, пьезоэлектрическую систему позиционирования и систему обратной связи. Но Бинниг сделал ставку на туннельный эффект, он приблизил иглу к поверхности на расстояние менее одного нанометра, что сразу привело к увеличению разрешения. Впрочем, не сразу, для этого исследователям пришлось решить ряд сложнейших технических проблем, до которых у Янга просто не дошли руки. Да и техника за десятилетие далеко продвинулась вперед.

Одна из проблем заключалась в изоляции от акустических и механических вибраций. В первой модели сканирующего туннельного микроскопа (так был назван новый прибор) для этого использовали новейшую разработку того времени – сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла.

Большим подспорьем оказался прогресс в области ЭВМ, но тут, как говорится, все козыри были на руках у IBM. Как и в создании быстродействующей малошумящей электроники. Задача разглядеть структуру непременно с атомарным разрешением не ставилась, это стало для исследователей неожиданным и потому вдвойне приятным бонусом. Они и сами поначалу не поняли, что это за бугорки торчат ровными рядами на поверхности золотой фольги, которую они поместили в свой прибор в один из дней 1981 года. По всему выходило, что это атомы, но исследователи не верили собственным глазам. Фотографию эту Бинниг с Рорером опубликовали только через два года. Более убедительным им показалось следующее полученное ими изображение – поверхности монокристалла кремния с четко видными шариками атомов. Но это нам сейчас четко видно, а в 1982 году ученые высказали привычный уже скепсис.

Сам же новый прибор для изучения поверхности вызвал большой интерес. Немало способствовали этому изобретатели, которые рекламировали его где только можно и с готовностью принимали посетителей в своей лаборатории в Цюрихе. Что ни говори, а IBM в плане пиара даст сто очков вперед Национальному бюро стандартов США.

Но среди всей этой суеты Бинниг, по его собственному признанию, загрустил. Приложив невероятные усилия, он создал выдающийся прибор, ничего подобного ему в будущей жизни, скорее всего, создать не удастся. По сравнению со сканирующим туннельным микроскопом все это будет рутиной. К счастью, он ошибся. Для смены обстановки Бинниг перебрался в Калифорнию, в головную исследовательскую лабораторию IBM, и там его посетила новая идея.