Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

Рис. 33. Схема работы сканирующего туннельного микроскопа: 1 – зонд; 2 – исследуемая поверхность; 3 – пьезодатчик

По изменениям напряжения на зонде компьютер строит трехмерное изображение поверхности. При этом разрешающая способность микроскопа достигает атомного уровня, то есть могут быть видны отдельные атомы, размеры которых составляют 0,2 нм.

На использование данного метода накладывается ряд ограничений. Во-первых, электропроводимость образца – поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/см2. Такое ограничение вытекает из самого принципа работы СТМ – для эффективного туннелирования электронов через зазор между поверхностью образца и чувствительным элементом прибора должно быть много свободных электронов (электронных состояний). Поэтому при изучении с помощью СТМ неэлектропроводных веществ необходимо покрывать их металлической пленкой или «привязывать» к их поверхности проводник, например слой золота.

Во-вторых, глубина исследуемой канавки должна быть меньше ее ширины. В противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей нанорельефа и искажение его изображения.

Конечно, ограничений в применении СЗМ гораздо больше. Малейшие вибрации и шумы (даже вне лаборатории) могут нарушить точную настройку прибора и процесс сканирования поверхности. При этом существующая в настоящее время технология «заточки» иглы не гарантирует одного острия на ее конце, а это может привести к одновременному сканированию двух разновысоких выступов. За исключением условий глубокого вакуума, во всех остальных случаях на поверхностях имеются различные загрязнения, состоящие из частиц газа и пыли, осажденных из воздуха.

Существенное влияние на достоверность получаемых результатов оказывает механизм сближения. Если при сближении зонда и исследуемой поверхности не удается избежать непосредственного касания (микроудара) иглы о поверхность образца, то игла теряет необходимую толщину в один атом на кончике призмы.

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.

Атомный силовой микроскоп может использоваться для определения рельефа поверхности любых веществ (проводящих и не проводящих ток, а также полупроводников) на наноуровне. С его помощью наблюдают всевозможные несовершенства структуры, локализованные на изучаемых поверхностях, например дислокации или заряженные дефекты, а также примеси. Кроме того, АСМ позволяет выявить границы различных блоков (в частности, доменов) в кристалле. Он также служит для определения структур физического вакуума, литографии и других прикладных задач.

Рис. 36. Схема лазерного атомного силового микроскопа: 1 – игла зонда; 2 – исследуемая поверхность; 3 – приемное устройство лазера; 4 – лазер

На первых АСМ давление острия (массой около 1/106 г) было достаточно высоким и значительно искажало форму многих биологических молекул, раздавливало их или смещало из зоны сканирования. Давление увеличивалось из-за наличия тонких пленок воды и загрязнений, неизбежно накапливавшихся как на кончике острия, так и на поверхности исследуемого образца.

При разработке нового семейства сканирующих микроскопов с зондами-остриями давление зонда на поверхность удалось снизить в 10 раз. К таким устройствам относится ближнепольный оптический лазерный силовой микроскоп (рис. 37).

Рис. 37. Схема работы ближнепольного оптического лазерного силового микроскопа: 1 – луч лазера; 2 – исследуемая поверхность; 3 – капля воды

Исследование образца 2 осуществляется внутри капли воды 3, где находится и острие сканера. Нагрузка, которую позволяет отслеживать этот микроскоп, – это малая сила притяжения между исследуемой поверхностью и зондом (кремниевым или вольфрамовым), находящимся от нее на расстоянии от 2 до 20 нм. Она складывается из силы поверхностного натяжения воды в зазоре и слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Притягивающая сила очень мала – в 1000 раз меньше межатомного отталкивания в атомных силовых микроскопах. При перемещении острие вибрирует с частотой, близкой к резонансной. Лазерно-силовой микроскоп регистрирует силу межатомного взаимодействия по ее воздействию на динамику вибрирующего зонда.

Амплитуда измеряется с помощью сенсорного устройства на базе лазера. Для этого используется уже знакомый нам принцип микроскопии – интерферометрия. Лазерный луч расщепляется на два: луч сравнения, который отражается от стационарного зеркала или призмы, и зондирующий луч, отражаемый от обратной стороны острия. Два луча складываются и интерферируют, порождая сигнал, фаза которого чувствительна к изменению длины пути, пройденного зондирующим лучом. Таким образом, интерферометр с помощью луча лазера измеряет вибрации кончика острия (амплитудой до 10-5 нм). Рассмотренный принцип позволяет лазерно-силовому микроскопу регистрировать малые неровности рельефа величиной до 5 нм (до 25 атомных слоев).