«Нанотехнология. Азбука для всех»
(Факультет Наук о Материалах МГУ им.М.В.Ломоносова)
В 2007 г. будет осуществлена подготовка и публикация массовым тиражом научно-популярной книги «Нанотехнологии. Азбука для всех» (100 страниц, стоимостью ~100 руб, тираж ~100 000 экземпляров). В рамках подпроекта будет также создан электронный гипертекстовый иллюстрированный аналог Азбуки на оптическом носителе (виртуальный гид по нанотехнологиям). По всем вопросам и с предложениями обращаться к Андрею Анатольевичу Елисееву (eliseev@inorg.chem.msu.ru).
Текст ВВЕДЕНИЯ (академик Ю.Д.Третьяков)
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ)
(пример макета статьи)
Для того, чтобы увидеть атом, существует, как считается, громоздкий и дорогой электронный микроскоп. Однако, несмотря на известную поговорку, не всегда лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. В ряде случаев можно получить больше информации, если атом .... ощупать, в буквальном смысле. Для этого и существует сканирующая зондовая микроскопия. Зонд – это микроскопический, чрезвычайно чувствительный щуп, который пробегает, сканирует, шероховатости поверхности атомарного размера. Более того, в ряде случаев зонд физически может двигать атомы.
В основе сканирования или «ощупывания» лежит достаточно простой принцип – атомы острия щупа «чувствуют» атомы, находящиеся на поверхности, тем сильнее, чем ближе они находятся друг к другу. Это похоже на то, как отталкиваются два сухих воздушных шарика, наэлектризованные о шерстяной свитер или волосы. В случае СЗМ возникающие силы межатомного взаимодействия чуть-чуть изменяют положение щупа и это можно обнаружить за счет чувствительных детекторов. Подобным образом мы ощущаем приближающийся наэлектризованный воздушный шарик, который еще даже не коснулся наших волос. Другой известным всем пример – мошенник кот Базилио из сказки «Золотой ключик», который шел и «вслепую» ощупывал дорогу впереди себя специальной палочкой. Иглы СЗМ как правило, именно «вслепую», без всякого мошенничества, ощупывают поверхность.
Первый сканирующий зондовый микроскоп был придуман на кончике пера и затем создан в 1982 году Г. Биннигом и Г. Рорером из Цюрихского отделения фирмы IBM. Этот микроскоп, правда, регистрировал не изменение положения острого щупа, но изменение так называемого туннельного тока, возникающего за счет «проскока» электронов, происходящего- между поверхностью материала и сверхтонкой иглой, как только она приближается к поверхности на расстоянияе, сравнимое с межатомным. Движение образца над поверхностью образца осуществлялось с помощью специальных «пьезодвигателей», способных создавать запрограммированные компьютером перемещения с шагом в сто миллиардные доли метра. Столь необычный и чрезвычайно эффективный способ исследования поверхности очень быстро был оценен научной общественностью и в 1986 году Бинниг и Рорер получили нобелевскую премию за разработку «сканирующего туннельного микроскопа» (СТМ). С появлением СТМ, а в последствии «атомно-силового микроскопа» (АСМ, 1986 г.) и других модификаций сканирующих зондовых техник стало возможным сделать новый шаг в изучении окружающего нас мира. Современные методы зондовой микроскопии позволяют изучать рельеф, состав и структуру с разрешением в доли ангстрем, “видеть” и перемещать единичные атомы и молекулы. За последнее десятилетие применение зондовой микроскопии позволило значительно расширить познания в различных областях физики, химии и биологии.
Основой всех типов сканирующей зондовой микроскопии является, как уже отмечалось, взаимодействие зонда с исследуемой поверхностью за счет механических, электрических или магнитных сил. Так, для «сканирующей туннельной микроскопии» откликом системы является туннельный ток, протекающий между зондом и сканируемой поверхностью, для «атомно-силовой микроскопии» – Ван-дер-Ваальсовы силы отталкивания зонда от поверхности, в случае «магнитно-силовой микроскопии» зонд реагирует на изменение магнитного поля над образцом, в «близкопольной микроскопии» оптические свойства образца детектируются через диафрагму находящуюся в ближней зоне источника фотонов и т.д. Природа взаимодействия и определяет принадлежность прибора к тому или иному члену семейства зондовых микроскопов.
Процесс сканирования осуществляется путем линейной (построчной) развертки прямоугольного или квадратного участка поверхности по координатам X и Y, тогда как измеряемый сигнал коррелирует с положением зонда над образцом по координате Z. В зависимости от принципа измерения сигнала различают два способа исследования поверхности методом СЗМ:
Метод постоянной высоты заключается в точном измерении величины взаимодействия щупа и поверхности в процессе сканирования при постоянном расстоянии между зондом и поверхностью образца. В результате получают зависимость интенсивности регистрируемого сигнала от положения зонда над образцом.
Метод постоянного взаимодействия заключается в измерении координаты зонда Z над образцом в процессе сканирования при постоянной интенсивности рабочего взаимодействия, которое задается путем обратной связи. В результате получают зависимость расстояния между зондом и поверхностью образца Z|I=const(X,Y) при постоянной интенсивности сигнала от положения зонда над образцом. Однако полученный этим методом массив данных не отображает реальной картины топографии поверхности. Метод постоянного взаимодействия обычно используется для исследования корреляции топографического контраста с другими типами рабочих взаимодействий (как, например, ориентации магнитных доменов, напряженности электростатического поля над образцом и т.д.).
См. также Инновационные услуги факультета наук о материалах