Вокруг Света 2005 № 06 (2777) - [20]

Создание атомно-силового микроскопа (АСМ), способного чувствовать силы притяжения и отталкивания, возникающие между отдельными атомами, затянулось на целых 5 лет, и только в 1986 году коллектив под руководством Герда Биннига смог получить изображения непроводящих поверхностей с атомарным разрешением. Причем в первом АСМ обойтись без туннельного эффекта не удалось и в состав «новомодного» микроскопа вошел «старинный» СТМ, задачей которого являлось измерение силы взаимодействия зондового острия и исследуемой поверхности.

Очередная высота была успешно взята, и по проторенной дороге вперед двинулись тысячи исследователей и десятки производителей. Менее чем за десять лет развития, то есть к началу 90-х, зондовая микроскопия освоила практически все возможные виды взаимодействия между острием и поверхностью. Сегодня эти приборы умеют рисовать распределение электронной плотности проводников и топографию любых твердых материалов, магнитные домены в ферромагнетиках и электрические в сегнетоэлектриках, краску в стеклах и примеси в полупроводниках. Из уникального изделия за миллион долларов сканирующий микроскоп очень быстро превратился в обычный прибор, стоящий не дороже хорошего осциллографа.

Макроскопическая жесткость

Идея построения атомно-силового микроскопа удивительно проста, и только отсутствие смелости и уверенности в успехе не позволили ученым начала XX века создать такой прибор. Сердце любого АСМ – достаточно миниатюрный и мягкий кантилевер с острой иголочкой, то есть такая маленькая дощечка с гвоздем на конце, которая «ощущает» атомы, сидящие в кристаллической решетке. Сами межатомные силы крайне малы и не превышают десятка нН (10-9H), однако появляются они при микроскопических же перемещениях – десятых долей нм. В результате эффективная жесткость отдельно взятого атома оказывается макроскопической величиной – 10—100 Н/м! Это, кстати, очень близко к жесткости пружинки, используемой в шариковой ручке. А группа из ста атомов будет сопротивляться своей деформации уже как пружина передней подвески «Жигулей», жесткость которой 30 000 Н/м. Таким образом, поделив одну очень малую величину на другую, мы получаем большое значение жесткости области атомарного контакта двух твердых тел. Жесткость – это вполне осязаемая физическая величина и, взяв мягкую «пружинку» (так называемый кантилевер), можно, коснувшись поверхности всего парой атомов, почувствовать момент этого контакта. В первом АСМ прогиб маленькой пружинки (кусочка тонкой металлической фольги) измеряли с помощью туннельного тока, возникавшего между этой фольгой и острием пристроенного к ней СТМ. В следующих версиях наноперемещения упругого кантилевера стали измерять с помощью оптического интерферометра. Сегодня все стало совсем просто: угол изгиба кремниевого кантилевера измеряют с помощью луча лазерного светодиода, отражающегося от его зеркальной поверхности на четыре приемных фотодиода. Это устройство очень напоминает игру с солнечным зайчиком: когда от небольшого поворота зеркала он скачет на огромные расстояния. На похожем принципе работает и лазерная головка в проигрывателях CD– и DVD-дисков. Жесткость у атома достаточно велика, но если мы хотим измерить его истинное положение, сильно давить на него всетаки нельзя. Поэтому используемые в АСМ зонды имеют действительно микроскопические размеры и изготавливаются по той же технологии, что и основные элементы современной микроэлектроники. Длина кантилевера, предназначенного для исследования поверхности, составляет 100—300 мкм, ширина 20—60 мкм, а толщина всего 1—2 мкм. Жесткость этих маленьких гибких пружинок не превышает 100 Н/м и может опускаться до 0,1 Н/м, а резонансная частота изменяется от сотен до десятков кГц. На кончике кантилевера располагается микроиголочка длиной 10– 15 мкм с радиусом кривизны острия всего 10 нм! Такой тонкий зонд (кантилевер) настолько мягок, что его заметно изгибают даже силы притяжения Ван-дер-Ваальса, возникающие между атомами кончика иголочки и исследуемой поверхности. Режим работы, когда ориентируются именно на такой изгиб зонда, называется бесконтактной модой. Работая в контактной моде, АСМ по-простому прижимается иглой к образцу, немного изгибая кантилевер. Силу прижима при этом выбирают исходя из прочностных свойств материала. В результате современные АСМ измеряют форму поверхности, просто скользя этой иголочкой вдоль образца и следя за тем, чтобы угол изгиба кантилевера имел постоянную величину. Для того чтобы различать отдельные атомы, АСМ, как и СТМ, приходится помещать в вакуум и использовать достаточно мягкие кантилеверы. Однако для многих интересных технологических применений атомарное разрешение совсем не нужно и вполне достаточно нанометрового или даже на порядок худшего – 0,01 мкм. При таких вольготных технических требованиях конструкция АСМ упрощается настолько, что это устройство легко умещается вместе с управляющим ноутбуком в небольшую походную сумку.

Зондирующий колокольчик

«Сухой» контакт, возникающий между иглой и поверхностью, в контактной моде АСМ оказался очень неприятной вещью. Мало того что игла в таком режиме работы стирается и тупится, она к тому же активно перемещает адсорбированные атомы по поверхности образца и рвет биологические молекулы, лежащие на гладкой рабочей поверхности. Избавиться от этого неудобства удалось достаточно изящным способом: кантилевер с иголочкой на конце заставили колебаться на резонансной частоте с амплитудой в несколько десятков нм. Такой режим работы АСМ называют таппинг-модой, поскольку зонд как бы обстукивает исследуемую поверхность своей иголочкой.