Техника - молодёжи 2010-06, страница 10

в изделия МЭМС и НЭМС. Что эта за инструменты?

Безусловно, самый информативный и перспективный метод анализа наноструктур на сегодня - сканирующая зондов;^ микроскопия (СЗМ). Суть этого подхода в том, что к поверхности образца подводят очень острую иглу ■ зонд,-которую затем перемещают от точки к точке (сканируют) и измеряют силу взаимодействия между иглой и поверхностью образца. Иглы-зонды могут быть самыми разными, соответственно, разной будет природа сил взаимодействия, а значит, можно исследовать различные характеристики нанообьекта.

Например, если зондтокопроводящий, сего помощью можно измерять электрические свойства в каждой точке поверхности (электропроводность, ёмкость, заряженностъ и др.). С помощью зонда с магнитным покрытием можно определить намагниченность образца и построить карту распределения и ориентации магнитных доменов в поверхностном слое магнитных материалов (об этом см. «ТМ» №2 за 2010 г.). Алмазным зондом можно измерить твёрдость материала с нанометровым разрешением. Всего существует более 40 методик сканирую щей зондовой микроскопии. Единственным принципиальным ограничением СЗМ является то, что вся информация собирается исключительно с поверхности

Вторым важным инструментом исследования наноструктур является электронная микроскопия (ЭМ). Мощные трансмиссионные электронные микроскопы сегодня дают субангаремное пространственное разрешение. Ограничение данного подхода кроется в том, что электроны взаимодействуют с веществом, а значит, не могут проникать глубоко. Наиболее выгодные образцы для трансмиссионной микроскопии - тонкие и твёрдые структуры, например фольги, двумерные кристаллы и т.п.

Растровая электронная микроскопия так же, как и СЗМ, позволяет получить визуальное изображение поверхности образца. Принципиальных отличия два. Во-первых, получаемое изображение имеет только две координаты, которые можно количественно измерить (X и Y). Высоту наблюдаемых структур можно оценить косвенно, но измерить количественно невозможно (СЗМ даёт точное значение высоты в каждой точке). Во-

вторых, электроны, в отличие от твердотельного зонда, всё же проникают внутрь материи. Поэтому в ЭМ есть возможность получить информацию о приповерхностном слое. Пучок электронов, которым сканируют объект, обладает* очень высокой энергией; сталкиваясь с атомами вещества, электроны отражаются, рассеиваются, а также вызывают серьезные изменения в электронной оболочке атомов. Анализ энергии электронов, а также рентгеновских квантов, которые вылетают из области взаимодействия пучка с веществом, позволяет получить информацию об элементном составе в приповерхностном слое объекта.

Весьма полезную информацию о внутренней структуре материи в масштабе нанометров может дать поток рентгеновского излучения. На относительно крупных неод] юрод и остях в структуре объекта (нанометры и десятки нанометров) рентгеновские лучи могут отклоняться, и это явление лежит в основе малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР). МУР!¹ позволяет исследовать размеры и распределение наночасгиц в составе взвесей, в структуре полимерных наиокомпозитов. Этот же метод помогает обнаружить и изучит г, Наноразмерные полости, например в твёрдых пенах, а также весьма полезен при исследовании тонких плёнок.

Если же неоднородности сравнимы С длиной волны рентгеновского излучения (а это ангстремы - характерные размеры атомов и атомарных решёток в кристаллах), то анализируют широкоугловое рассеяние (ШУРР). Этот метод дает информацию о дефектах в кристаллической решётке,позволяет реконструировать пространственную организацию биологических или синтетических макромолекул.

Самым хорошим источником рентгена для подобных исследований является синхротрон, однако современное развитие компактных систем для рентгеновской дифрактометрии предоставляет и руки учёных эффективные настольные инструменты для многих прикладных задач ШУРР и МУРР.

Инструменты российского лидерства

В последние годы стало модным ругать отечествен ну ю индустрию, судачить о том, как всё плохо в нашей науке. Однако есть примеры того, как отечественные научно-производственные компании создают оборудование для самых передовых исследований даже в масштабе всей мировой науки.

Так, в подмосковном Зеленограде вот уже 20 лет работает компания «Наногехнология М/IT». Здесь разра-

Зффект многократного усилений комбинационного рассеяния с помощью иглы СЗМ. Свет лазера, сфокусированный оптическим объективом, взаимодействует с веществом объекта. Некоторые кванты рассеиваются с потерей части своей энергии {комбинационное рассеяние - КР). Количественный анализ таких квантов даёт спектр КР, по которому можно идентифицировать химический состав образца.

Минимальная величина анализируемои области - около 200 нм, поскольку оптический объектив в принципе не может сфокусировать луч сильнее из-за дифракции; при решении нанотехнологи-ческих задач такая величина часто оказывается слишком большой. Для её уменьшения в схему установки вводится СЗМ. Остриё его зонда имеет радиус кривизны около 10 нм, это намного меньше минимального пятна лазера (а). На острие сигнал КР усиливается в десятки и сотни раз (6), поэтому пространственное разрешение спектроскопии оказывается всего несколько десятков нанометров - мы собираем только кванты, рассеянные непосредственно под остриём иглы. Таким образом, при выяснении химического состава объекта преодолеваются ограничения по его величине и/или точности локализации исследуемого участка, налагаемые пределом дифракции.