Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

По сообщениям сайта нанотехнологического сообщества России «Нанометр» (http://www.nanometer.ru), в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе в августе 2009 года был закончен монтаж уникального двухреакторного ростового комплекса молекулярно-пучковой эпитаксии STE3526 (рис. 28).

Двухреакторный комплекс STE3526 разработан и создан отечественным предприятием ЗАО «Научное и технологическое оборудование» специально для выращивания гибридных наногетероструктур с учетом последних достижений в области молекулярно-пучковой эпитаксии полупроводников в данных системах материалов.

Установка STE3526 предназначена для проведения фундаментальных и прикладных научных исследований, опытно-конструкторских работ и мелкосерийного экспериментального производства эпитаксиальных наноструктур на основе широкозонных материалов (типа Cd(Zn)Se/ZnMgSSe) с использованием предварительно выращенных в реакторе высококачественных буферных слоев GaAs. Данный комплекс обеспечивает ультра-чистый сверх-высоковакуумный (защита от неконтролируемого загрязнения ростового интерфейса на поверхности буферного слоя GaAs) транспорт подготовленной подложки в реактор для выращивания конечных гетероструктур.

Рис. 28. Двухреакторный ростовый комплекс молекулярно-пучковой эпитаксии STE3526

Следует отметить, что число фирм-производителей различных наноматериалов постоянно растет. При этом совершенствуется не только процесс получения и очистки наноматериалов, но и значительно повышается их качество, что позволяет находить новые сферы применения подобных материалов.

Методы исследования наноструктур

Случайные открытия делают только подготовленные умы.

Блез Паскаль, французский математик, физик, литератор и философ

Исследования в области нанотехнологий требуют тесной межотраслевой и междисциплинарной кооперации, а также постоянного обмена результатами научных исследований и практических достижений, поскольку в данной области тесно переплетаются вопросы и интересы физики, химии и биологии, которые дополняют и обогащают друг друга.

Для изучения атомного строения конструкционных материалов на наноуровне, как правило, применяют методы квантовой физики.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) – один из важнейших современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. Однако применительно к наночастицам термин «микроскопия» не отражает сущности процесса, и следует говорить о «наноскопии».

В настоящее время создано целое семейство сканирующих зондовых микроскопов – приборов, в которых исследуемая поверхность сканируется специальной иглой-зондом, а результат регистрируется в виде туннельного тока (туннельный микроскоп), механического отклонения микрозеркала (атомный силовой микроскоп), локального магнитного поля (магнитный силовой микроскоп), электростатического поля (электростатический силовой микроскоп) и другими способами. Являясь не только измерительными приборами, но и инструментами, с помощью которых можно формировать и исследовать наноструктуры, зондовые микроскопы призваны стать базовыми физическими метрологическими инструментами XXI века.

Внешний вид сканирующего зондового микроскопа (нанолаборатории) Ntegra Spectra производства российской фирмы ЗАО «НТ-МДТ» представлен на рис. 29, а типовая схема осуществления СЗМ – на рис. 30.

Рис. 29. Внешний вид сканирующего зондового микроскопа Ntegra Spectra

Рис. 30. Типовая схема осуществления СЗМ: I – программное обеспечение компьютера; II – контроллер; 1 – станина; 2 – трехкоординатный автоматический столик; 3 – исследуемая поверхность; 4 – зонд; 5 – датчик положения зонда; 6 – пространственный пьезодатчик

Упрощенно можно представить, что в сканирующем туннельном микроскопе роль оптического устройства играет тончайшее металлическое (как правило, вольфрамовое) острие, или зонд 4 (рис. 31), кончик которого может представлять собой единственный атом и иметь размер в поперечнике около 0,2 нм. Пространственные пьезоэлектрические устройства (датчики) 6 прибора имеют возможность устанавливать зонд на расстоянии 1–2 нм от исследуемой поверхности 3 электропроводящего объекта.

В процессе сканирования игла движется вдоль образца. Когда зонд сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) оказывается на расстоянии около 10 А от поверхности, что эквивалентно размеру нескольких атомов (~0,5–1,0 нм), между зондом и образцом устанавливается рабочее напряжение, и электронные облака на конце зонда и ближайшего к нему атома объекта перекрываются. В результате электроны «перескакивают» через зазор. Другими словами, электрический ток из образца начинает проходить через промежуток в иглу (или наоборот – в зависимости от знака напряжения, хотя непосредственного контакта между зондом и поверхностью в привычном понимании нет). Нормальные значения этого тока находятся в пределах 1-1000 пА при расстояниях около 1 А от поверхности образца. Величина тока чрезвычайно чувствительна к размеру зазора и обычно при его увеличении на 0,1 нм уменьшается в 10 раз.

Рис. 31. Игла кантилевера (www.niifp.rurus_vercantilevers_rus.html)

Электрический ток протекает благодаря так называемому туннельному эффекту, из-за которого получил свое название микроскоп. Как уже отмечалось, феномен заключается в том, что электрон может преодолеть энергетический (то есть потенциальный) барьер, образованный разрывом электрической цепи – небольшим промежутком между зондирующим микроострием и поверхностью образца, даже не обладая достаточной энергией, то есть он «туннелирует» сквозь эту преграду (рис. 32).

Возникающий в результате «туннельный ток» изменяется в зависимости от зазора между зондом и образцом по экспоненциальному виду. Сила туннельного тока остается стабильной за счет действия обратной связи, и удлинение следящей системы меняется в зависимости от топографии. Сила протекающего тока измеряется регистрирующим устройством, что позволяет оценить расстояние между зондом и поверхностью образца (ширину туннельного перехода), сканирование которого производится последовательно, атом за атомом, давая высокоточную картину поверхности исследуемого материала.

Рис. 32. Переход (туннелирование) электрона с кинетической энергией E через потенциальный барьер с энергией U (при этом U > E)

Пьезоэлектрические двухкоординатные манипуляторы перемещают зонд вдоль поверхности образца, формируя растр почти так же, как в электронном микроскопе. При этом параллельные строки растра располагаются на расстоянии долей нанометра друг от друга. Если бы кончик зонда не повторял профиль поверхности, туннельный ток менялся бы в очень широких пределах, увеличиваясь в моменты прохождения зонда над выпуклостями (например, над атомами на поверхности) и уменьшаясь до ничтожно малых значений при прохождении зазоров между атомами. Однако зонд заставляют двигаться верх и вниз в соответствии с рельефом. Осуществляется это с помощью механизма обратной связи, который улавливает начинающееся изменение туннельного тока и изменяет напряжение, прикладываемое к третьему манипулятору, перемещающему зонд перпендикулярно поверхности, чтобы величина туннельного тока не менялась (то есть зазор между зондом и объектом оставался постоянным). Показания регистрирующего устройства фиксируются, и на их основе строится карта высот нанорельефа исследуемой поверхности.

Изображение нанорельефа поверхности в СТМ формируется двумя путями (рис. 33). По методу постоянного туннельного тока зонд 1 перемещается вдоль поверхности 2, осуществляя растровое сканирование. При этом изменение напряжения на z-электроде пьезоэлемента 3 в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде зависимости z = f (x,y), а затем воспроизводится с помощью специального программного обеспечения средствами компьютерной графики. Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение по нормали к поверхности достигает долей ангстрема, а латеральное разрешение (по ширине) зависит от качества зонда и определяется атомарной структурой кончика острия. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, ток в этом случае течет между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.