velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

«Глядя на мир, нельзя не удивляться

После изобретения оптического микроскопа люди несколько веков вглядывались в открывшийся перед ними умопомрачительный мир: клеточки, органеллы, кристаллы, большие молекулы... По мере усовершенствования оптики на свет в буквальном смысле выплывали все новые и новые подробности.





К тому времени, как был достигнут дифракционный предел для видимого света (приблизительно 1000-кратное повышение), люди сообразили, что самое увлекательное так и осталось за кадром: при помощи оптических устройств никогда не получится узреть атомы, имеющие размер порядка ангстрема (0,1 от миллиардной толики метра). А поглядеть на их очень хотелось. Впритирку подойти к священной цели посодействовал электрический микроскоп. И все таки наилучшее, на что тут можно рассчитывать, это рисунки с атомами-точками. Далее наше зрение бессильно, и никакой микроскоп здесь не поможет... не считая туннельного.


1-ые шаги на ощупь


Сначала 1980-х Герд Бинниг и Генрих Рорер, сотрудники швейцарского отделения IBM, сделали прибор, позволяющий рассматривать одиночные атомы вещества. В нем было применено квантовое явление туннелирования, и он получил заглавие «сканирующий туннельный микроскоп» (СТМ).


Мысль состояла в последующем. Очень узкая игла-зонд с острием шириной в один атом перемещается над поверхностью объекта на расстоянии порядка 1-го нанометра. В согласовании с законами квантовой механики появляется туннельный эффект: электроны преодолевают вакуумный барьер меж объектом и иглой, и в цепи «образец– игла» начинает течь ток. Величина его очень очень находится в зависимости от расстояния меж концом иглы и поверхностью объекта. Так очень, что даже при уменьшении промежутка всего на один ангстрем ток растет приблизительно на порядок. Потому, следя за величиной тока при перемещении иглы повдоль поверхности, можно учить ее рельеф – как будто читая книжку для слепых, написанную шрифтом Брайля.


В теории мысль прекрасная и обычная, но на практике очень непростая. Необходимо стопроцентно убрать вибрации, тепловые деформации, сделать иглу с одноатомным острием, да еще уметь перемещать ее с субатомной точностью. 1-ые две задачки можно решить, сделав виброразвязку и изолировав систему в вакууме от акустических шумов, а для компонент конструкции подобрав материалы с малыми коэффициентами теплового расширения. Что касается перемещения, здесь, к счастью, есть пьезодвигатели. Но как быть с иглой? Выручило то, что на атомном уровне поверхность всегда «шероховатая», и на ней всегда найдется «мини-острие», выступающее далее всех. Конкретно оно первым будет «чувствовать» поверхность, а ток через примыкающие атомы на конце иглы будет на порядок меньше. Убедиться в корректности этих рассуждений можно было исключительно в опытах, которые заняли 27 месяцев.


1-ая испытательная установка представляла собой смесь лабораторной работы по физике и научной фантастики. Ее сделали на базе эксикатора (осушителя), обмотанного множеством обычного скотча. В этой охлаждаемой камере над сверхпроводящей свинцовой чашей левитировала жесткая платформа, снабженная неизменными магнитами. На ней были закреплены площадка на 3-х ножках с прототипом, пьезодвигатели и держатель иглы. Уникальное сооружение потребляло 20 л водянистого гелия в час. Конкретно на этом экзотичном устройстве после нескольких месяцев непрерывной работы получили 1-ые результаты – подтвердили экспоненциальную связь меж туннельным током и расстоянием от иглы до эталона. Это был 1-ый и последний случай использования левитации в туннельной микроскопии – потом использовалась виброразвязка СТМ при помощи системы пружин либо активных частей с оборотной связью.


После того как 1-ые рисунки с атомным разрешением поверхности золота и кремния были представлены научному обществу, пришло напряженное ожидание: никто не мог повторить превосходный итог. Через три года после публикации до создателей дошли достойные внимания слухи. Оказалось, в научной среде не редки споры на бутылку шампанского, что все эти рисунки – просто компьютерное моделирование! Ситуация конструктивно поменялась исключительно в 1985 году, когда результаты были в конце концов доказаны в нескольких лабораториях. А уже на последующий год его создателям, Биннигу и Рореру, была присуждена Нобелевская премия по физике.


По сути сомнения скептиков были не совершенно уж необоснованны. Ведь, невзирая на схожее заглавие, туннельный микроскоп, в отличие от обычного оптического, не дает в прямом смысле увеличенное изображение объекта. Умопомрачительная трехмерная (!) картина с атомами – всего только интерпретация результатов взаимодействия иглы и поверхности эталона, график, показывающий, как изменяется ток при движении иглы параллельно поверхности.


Атомно-силовой микроскоп


СТМ имеет одно существенное ограничение: объект исследования должен быть проводящим – металл либо полупроводник, по другому не будет туннельного тока. Выходит, что в туннельный микроскоп нельзя «рассмотреть» ни один изолятор, к примеру алмаз. Пока осваивали туннельный способ, появилась новенькая мысль: в 1986 году Биннинг предложил вариант микроскопа, нареченного атомно-силовым. Принцип его работы заключается в последующем. На тех расстояниях, на которых появляется туннелирование, меж прототипом и иглой начинает действовать довольно большая сила. Она тоже, как и туннельный ток, находится в зависимости от величины промежутка, и ее тоже можно определять, используя, к примеру, упругость подвеса – кантилевера, на котором закреплена игла. С одной стороны, открываются колоссальные перспективы – можно учить любые тела независимо от их электропроводности, а с другой – возникают дополнительные трудности. Сила взаимодействия меж иглой и прототипом, в отличие от туннельного тока, находится в зависимости от расстояния не однообразно, а достаточно сложным образом: поначалу это притяжение, которое с уменьшением расстояния, начиная приблизительно с 2 нм, сменяется отталкиванием. Потому область расстояний, в какой можно работать, очень ограничена, и требуется кропотливая юстировка прибора, по другому полученную картину будет фактически нереально интерпретировать.


В общем, туннельный и атомно-силовой микроскопы очень похожи, но у их есть одно принципиальное отличие – конструкция иглы. В туннельном игла принципно закреплена очень агрессивно и никогда не должна касаться поверхности, а в атомно-силовом – непременно на упругом подвесе (кантилевере) и может работать даже в прямом контакте с прототипом. Для СТМ чем острее игла, тем лучше, а в атомно-силовом микроскопе очень острая игла будет давать очень небольшой сигнал, который тяжело зарегистрировать. 1-ое время кантилеверы для АСМ делали из золотой фольги с алмазным наконечником либо из бытовой дюралевой фольги с вольфрамовой проволочкой, а позже перебежали на кремниевые, которые обширно употребляются до сего времени. Колебания кантилевера регистрируют при помощи напыленного на него малеханького зеркала. Очень удачный метод, но только не при работе в критериях низких температур, когда микроскоп размещен снутри криостата и отъюстировать кантилевер с зеркалом фактически нереально. Здесь отыскали роскошное решение – использовать в качестве кантилевера кварцевый камертон, который задает частоту в всех электрических часах.


В отсутствие сторонних воздействий таковой резонатор имеет строго определенную свою частоту. Но если появится дополнительная сила, к примеру при приближении к атомам в режиме атомно-силового микроскопа, частота колебаний поменяется, что и зарегистрирует электронная схема.


Игла имеет значение


Важнейший элемент и туннельного, и атомно-силового микроскопа – игла. Всё, что есть в нашем распоряжении, это итог взаимодействия меж электрическими оболочками атомов эталона и атомов иглы. Представьте, если у зонда образовалось вроде бы два параллельных кончика. Они будут сразу проводить туннельный ток и давать сигнал от 2-ух точек, находящихся на расстоянии друг от друга. В данном случае данные очень тяжело верно интерпретировать, изображение может двоиться либо быть размытым.


Стандартная разработка заточки иглы – травление вольфрамовой проволочки в особом электролите. Используют для этой цели и так именуемую ионную заточку: обдувают проволочку потоком ионов, сбивая все избыточное. К огорчению, опыт указывает, что иглу никак нельзя приготовить в один прекрасный момент раз и навечно. Этот компонент туннельного микроскопа просит неизменной заботы. Не все лаборатории могут позволить для себя действовать в согласовании со стандартными процедурами – изобретательные научные работники часто используют и сравнимо дешевенькие, но более действенные методы. К примеру, можно платиновую проволочку откусывать маникюрными ножницами либо особыми кусачками с режущими поверхностями из твердого сплава. При наличии опыта и ловкости рук получаются полностью работоспособные иглы.


В рабочем режиме расстояние меж иглой и прототипом очень не достаточно, и при их случайном соприкосновении эталон может повредиться, а игла испортиться. Когда система работает на воздухе, поменять иглу сравнимо просто, а если она находится в вакууме? Здесь есть несколько вариантов: загрузка сходу целого комплекта игл и образцов (числом несколько 10-ов), особый шлюз для смены игл (время подмены – несколько часов) либо починка прямо снутри микроскопа. Чинят иглы различными методами. Подают определенное напряжение, и излишние атомы улетают с наконечника иглы или, напротив, налипают на него, образуя острый кончик. Время от времени рядом с прототипом снутри микроскопа специально ставят железную площадку. Если въехать в нее иглой, а позже медлительно вынимать, другими словами шанс, что игла заострится. Этот метод в особенности популярен для низкотемпературных микроскопов, где не считая вакуума приходится сберегать к тому же холод.


Внедрения


Туннельная микроскопия – способ уникальный, сначала поэтому, что для туннельного эффекта не надо никаких особенных критерий – ни вакуума, ни низких температур. Так что сам по для себя туннельный микроскоп представляет собой полностью малогабаритное устройство и может иметь размер всего несколько см. Нужно только обеспечить виброразвязку и электронную схему измерения и стабилизации туннельного тока, связанную с пьезодвигателями.


Разработан, к примеру, особый СТМ для исследовательских работ снутри установки «Токамак». Это достаточно лаконичный прибор даже без виброизоляции, так как игла нацелена на фиксированное место исследуемого объекта. Поместив таковой СТМ совместно с закрепленным снутри прототипом в работающую установку, некое время наблюдают, как деградирует материал в критериях экстремальных температур и радиации. Микроскоп успевает передать серию поочередных изображений поверхности, пока сам не станет жертвой нестерпимых критерий.


Но каковы бы ни были способности туннельного микроскопа, там, где идет речь об исследовании поверхности, не обойтись без сверхвысокого вакуума. Только так можно обеспечить чистоту объекта в отсутствие сторонних атомов и молекул и узреть, как по сути устроены кристаллические решетки различных материалов, как смотрятся примеси в полупроводниках либо как появляется слой поверхности в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии. Размер сканируемой области обычно невелик – порядка 100х100 нм. Потому есть системы, где СТМ встроен в столик электрического микроскопа, чтоб поначалу отыскать необходимое место на поверхности объекта, а потом тщательно изучить его с субатомным разрешением.


Сейчас СТМ и АСМ уже стали обширно всераспространенными исследовательскими инструментами. А нанотехнология без их просто топталась бы на месте – ну как по другому рассмотреть, что делаешь, а главное – показать остальным результаты собственного труда? Появилась целая промышленность, где можно отыскать всё: от игл и кантилеверов до сложных исследовательских комплексов. И все же работа с туннельным микроскопом, как и 20 годов назад, остается уделом проф физиков. Чтоб получить даже на фирменном СТМ за полмиллиона баксов изображение какого-либо необыкновенного материала с разрешением в сотые толики ангстрема, будет нужно большое мастерство.


Ручная работа


И все таки туннельный микроскоп при достаточном умении и средствах позволяет не только лишь следить, да и создавать уникальные картины. Когда напряжение меж прототипом и иглой несколько больше, чем в рабочем режиме туннелирования, атом эталона (по сути ион) может «перескочить» на иглу. Сменив напряжение, можно вынудить его «спрыгнуть» назад. Если в промежутке меж этими событиями игла двинулась, атом возвратится уже на другое место. Выходит, что можно как угодно манипулировать атомами! Всё, что для этого необходимо, – неплохой туннельный микроскоп, охлажденный до нескольких градусов выше абсолютного нуля (чтоб атомы не разбегались под действием термического движения), подходящая игла и масса терпения. Первыми показали ловкость рук сотрудники IBM. Они выложили логотип собственной компании атомами ксенона на поверхности никеля. С того времени прошло уже больше 15 лет, но до сего времени такое развлечение могут для себя позволить всего только несколько исследовательских групп в мире. Научные журнальчики публикуют изображения любовно сложенного из атомов логотипа лаборатории и института либо рисунки «атомного смайлика» поперечником 32 нм, собранного из 51 атома серебра. Пока все это больше припоминает младшую школу, где обучаются сразу читать и писать. А когда мы как надо освоим эту науку, любопытно, какой роман выйдет из-под нашего пера? Может быть, новый, совсем неизведанный тип жизни?






Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments