Техника - молодёжи 2011-02, страница 35

Нанотехнологии

2011 N03 ТЫ

Рис. 5. Ианоздьюкейтор на Международном форуме "Роснано-2010»

это по силе отталкивания или притяжения.

Так и у сканирующих микроскопов -зонды могут быть самые разные. Это полупроводниковые и металлические острия, магнитные и электрически заряженные щупы и пр.

На сегодня наибольшее распространение получили сканирующий туннельный микроскоп и микроскоп атомных сил, иногда объединяемые в одном приборе. Часто они скомпонованы ещё и с оптическим микроскопом.

В туннельном микроскопе, где достигается атомное разрешение, вдоль проводящей ток поверхности рыскает острая металлическая игла (рис. 2). Как известно, между двумя металлами, находящимися на некотором расстоянии друг от друга, существует потенциальный барьер, высота которого определяется разностью работ выхода электронов из них. Электроны могут проникать через этот барьер - тунне-лировать, - причём вероятность их нахождения за барьером экспоненциально зависит от его ширины. Это означает, что при некотором небольшом напряжении возможен ненулевой ток электронов, который очень сильно, экспоненциально зависит от расстояния между остриём и поверхностью. Поэтому основной вклад в ток будут давать электроны, текущие вблизи самого ближнего к атомам поверхности атома острия.

Если в процессе сканирования поддерживать величину тока на некоем постоянном уровне, то можно утверждать, что игла движется на постоянной высоте над образцом. То есть - повторяет его рельеф.

Эта задача - поддержание заданного тока тунеллирования - решается следующим образом. Ток между иглой и образцом через измерительную цепь подаётся на схему обратной связи и там сравнивается с эталонным значением, соответствующим заданному «просвету». Разностный сигнал усиливается и подаётся в качестве управляющего на привод, который и перемещает иглу вдоль вертикальной оси.

Этот сигнал, с высокой точностью отслеживающий рельеф образца, и является «результатом измерения». Он записывается в компьютере и за

тем воспроизводится на экране монитора.

В микроскопе атомных сил сканирование объекта осуществляет так называемый кантилевер - микромеханический зонд в виде консоли с перпендикулярной иглой на конце (рис. 3). Это узкая, способная колебаться с некоторой средней частотой кристаллическая пластинка, которая, перемещаясь вдоль поверхности, периодически её касается. Отклонение кантилевера от положения равновесия отслеживается электроникой по отражению лазерного луча от его поверхности (рис. 4). Информацию о поверхности несут не только амплитуда колебаний, но и фаза. Так можно определить форму и «жёсткость» поверхности. Естественно, тем точнее, чем меньше радиус закругления острия, обычно составляющий десяток нанометров.

Аналогично работают сканирующие магнитно-силовые и электросиловые микроскопы, ближнепольный оптический микроскоп, в котором зондом является заострённый оптический волновод, и многие другие приборы этого типа. Общий принцип диктует общность многих элементов этих устройств и возможность их совмещения в одном приборе. Естественно, все они управляются с помощью компьютера со специализированными программами. Получающиеся изображения поверхности также требуют применения специальных алгоритмов математической обработки. Всё это обеспечение может быть в значительной степени унифицировано для разных приборов; на этих путях рождается разнообразие комбинированных систем, оптимизированных для разных научных задач.

Пути развития

Сегодня нано- и микроэлектронные технологии, в частности компьютерные, испытывают взрывной рост. Соответственно растёт и потребность в установках и методах сканирующей зондовой микроскопии, которая развивается в нескольких основных направлениях. Мы расскажем о них на примере зондовых микроскопов ведущей российской компании НТ-МДТ, разработавшей ряд типовых приборных платформ.

35