<<
>>

Аналитические методы

Строго говоря, комплексное измерение параметров структуры любого объекта состоит, прежде всего, в точном количественном описании его трехмерной геометрии с достаточной точностью, а следующий этап аналитического изучения сводится к определению требуемых функциональных свойств данной структуры (например, ее химического состава, электропроводности, механических и оптических свойств и т.

п.). Описание геометрических или функциональных свойств исследуемой структуры осуществляется, формально говоря, соответствующими приборами или зондами. Как показано на рис. 6.1, общий процесс исследований и анализа заключается в том, чтобы вызвать «реакцию» образца на «спровоцированные» зондом воздействия, что позволяет получить информацию относительно его физико-химических свойств. В оптическом микроскопе «реакция» образца определяется с помощью комбинаций падающего на него или проходящего видимого света, то есть регистрируется в форме интенсивности распределения отраженного света (с помощью глаза или камеры). Оптические измерения дают возможность не только получать информацию о геометрических размерах достаточно крупных объектов, но и позволяют, кроме того, оценить некоторые другие характеристики, связанные, например, с цветом объекта или его способностью к флуоресценции.

На рис. 6.1 схематически представлено разнообразие методик исследования образцов при помощи современной аппаратуры. Физическими реакциями или ответами анализируемого образца выступают поля или волны, а получаемые в результате измерений сигналы позволяют оценивать разнообразные функциональные свойства вещества. При этом, однако, следует принимать во внимание, что воздействие на образец прибора или зонда означает, в принципе, некоторое изменение его свойств, так как реакция в этом случае определяется не только собственными свойствами объекта исследования, но и физическим взаимодействием исследуемого образца с прибором.

В предельных

случаях это взаимодействие может иметь даже разрушительный характер, например, при анализе биологического объекта не с помощью низкоэнергетических фотонов видимого света, а высокоэнергетических фотонов жесткого рентгеновского излучения, уничтожающих любые биологические структуры.

Наряду с выбором подходящей комбинации зондов или детекторов свойств, принципиальное значение для исследования любых локальных структур или индивидуальных объектов имеет разница между информацией о строении на локальном и глобальном (макроскопическом) уровне. Макроскопические данные относятся к геометрическим областям, структурный размер которых намного превышает размеры, доступные только микроскопическим методам исследования данного вещества. Локальным уровнем будем называть сведения, полученные при анализе структур, которые порождают пространственное рассеяние, достаточное для описания исследуемой индивидуальной структуры. Современная высокоразрешающая техника (в первую очередь, рентгеноскопия разных типов) предоставляет информацию не только о сверхмалых

Рис. 6.1. Основа любого анализа — реакция образца на внешние воздействия в виде освещения, магнитных полей, механических нагрузок и т. п. Реакция выражается в изменении свойств, излучении фотонов (электромагнитных волн), изменении температуры и т. п. Выбранная комбинация регистрируемых реакций образца на внешние воздействия определяет выбор соответствующего аналитического метода

геометрических структурах, но и относительно их физикохимических характеристик, что и показано на рис. 6.1.

В начале 50-х годов прошлого века американский биолог Джеймс Уотсон занимался объяснением структуры ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). К этому времени уже было известно, что в ее строении важную роль играет так называемая а-спираль, открытая знаменитым Лайнусом Полингом методами рентгеноструктурного анализа.

Уотсон работал в Кембридже вместе с английским физиком Фрэнсисом Криком у лауреата Нобелевской премии Лоренса Брэгга (создателя метода рентгеновского анализа структуры вещества вообще). Кроме этого изучением структуры ДНК занимались также в Лондоне Морис Вилкинс и Розалина Франклин. В 1953 году Уотсон и Крик определили структуру двойной спирали ДНК, которую они вывели путем сравнения данных рентгеновского анализа с предложенной ими картонной моделью. В 1962 году Уотсону, Крику и Вилкинсу была присуждена Нобелевская премия по медицине за объяснение структуры ДНК.

Методика рентгеновского анализа структурного строения ДНК схематично показана на рис. 6.2. Анализируя кристаллы из нитей ДНК, удается обнаружить упорядоченные ансамбли, на которых рассеивается луч рентгеновского излучения с диаметром, значительно превышающим ширину спирали (- 2 нанометра), а изменения в интенсивности получаемой рентгенограммы позволяют воссоздать атомно-молекулярную структуру образца (нижняя часть рисунка слева). Это знаменитое научное достижение было достигнуто, по существу, за счет того, что исследователям удалось создать кристаллы из ДНК и интерпретировать полученную картину в форме двойной спиральной структуры. Фактически исследования ДНК были реализованы без использования техники высокого разрешения, так как аналогичная методика уже давно успешно применялась для получения структуры кристаллов и определения параметров атомных решеток, многие из которых имели гораздо меньшие размеры (от одной десятой до нескольких десятых нанометра). На том же рис. 6.2 представлен снимок ДНК (полученный сканирующим туннельным микроскопом), где можно четко различить элементы с размерами чуть больше одного нанометра. Такие микроскопы (о них будет подробнее рассказано ниже) имеют очень высокое разрешение, и молекула ДНК может быть отображена непосредственно, в то время как при применении

Рис.

6.2. Изображения молекулы ДНК, полученные с использованием рентгеновского рассеяния (слева) и мощного сканирующего туннельного микроскопа (справа). Для сравнительной оценки возможностей разных методик очень важно учитывать, что разрешающая способность микроскопа не является единственным и главным достоинством. Например, для рентгеноструктурного анализа необходимо кристаллизовать достаточно большой образец из большого числа идентичных молекул ДНК, чтобы получаемая рентгенограмма содержала характерные отражения, позволяющие судить о тонких особенностях строения (в данном случае речь идет о специфическом спиральном строении). С другой стороны, снимок локального участка ДНК на более мощном микроскопе позволяет увидеть очень мелкие элементы структуры, но не содержит данных, позволяющих предположить или угадать спиральный характере структуры в целом

рентгеновского метода структура должна быть построена на основе распределения интенсивности. С другой стороны, стоит учесть, что разрешение является недостаточным для выявления спиральной структуры, хотя эту особенность можно угадать на снимках, сделанных с помощью более мощных микроскопов (типа сканирующего туннельного или атомно-силового).

Рентгеноструктурный анализ является одним из важнейших методов получения информации о строении вещества на атомарном, то есть нанометровом уровне. Метод является незаменимым при точном определении характерных размеров важнейших упорядоченных структур (он позволяет измерять, например, расстояния между атомами в кристаллах, длины соединительных мостиков в белках и т. д.), однако является бесполезным при решении многих практических проблем, связанных с НТ (например, рентгеновский анализ не может выявить отсутствие отдельных атомов на поверхности кристалла кремния или определить точное положение дефектов). Более точная информация (на уровне атомарного строения) в необходимых случаях может быть получена с помощью сканирующих микроскопов высокого разрешения, примером чего служит микрофотография на рис.

6.3.

Для измерения и анализа индивидуальных нано- и субнаноструктур необходимо развивать новые микроскопические методики, имеющие достаточно высокое пространственное разрешение и позволяющие исследовать локальные особенности объектов (рис. 6.3), масштаб которых определяется размерами интересующих нас элементов анализируемой структуры. Проблему локализации и точности измерений можно пояснить на примере рис. 6.4, где схематически показан участок поверхности твердого тела, рассматриваемый в гипотетический микроскоп или изучаемый некоторым детектором. Как показано на рисунке, в исследованиях, где необходимо определить положение определенного атома на изучаемой поверхности, воспринимающая часть детектора должна быть введена в область валентных электронов на поверхности кристалла, поскольку на более дальних расстояниях просто нельзя получить и измерить сигналы, идентифицируемые с отдельными атомами. Естественно, что и габариты самого детектора в этой ситуации не должны превышать диаметр атома. Аналогично, при анализе изменений магнитного или электрического поля рассеивания на поверхности (диапазон длин около 100 нанометров) детектор должен иметь соответствующие размеры и вводиться на требуемое расстояние от поверхности образца.

Методы резонанса, рассеивания и отражения (а также другие микроскопические методы анализа) за последние десятилетия настолько развились, что сегодня стало возможным анализировать множество физических, химических и биологических свойств, относящихся буквально к отдельным атомам.

Рис. 6.3. Реконструкция строения участка (20 нм х 20 нм) поверхности кремния (111) (7x7) на основе снимка, полученного сканирующим туннельным микроскопом. Отчетливо видно характерное, высокосимметричное упорядочение атомов кремния на поверхности кристалла, а также расположение дефектов структуры, что наглядно подтверждает высокое разрешение прибора, позволяющее регистрировать положение отдельных атомов.

В левой части рисунка выделена кристаллическая ячейка, состоящая из 12 адатомов (поверхностных атомов) в виде двух треугольников. Вертикальная линия в правой части рисунка иллюстрирует положение границ доменов. По данным работы (Memmert, 1999)

Стремительное развитие НТ привело к еще более строгим требованиям в отношении методов измерения и анализа наноструктур.

Рис. 6.4. Схематичное изображение поверхности твердого тела, иллюстрирующее отсутствие четкого контура изучаемого объекта. Считая исходным уровень положения ядер атомов и их внутренних электронных оболочек (кружки в левой части рисунка), уровень валентных электронов будет соответствовать примерно 1 ангстрему. С другой стороны, радиус действия электромагнитных межатомных взаимодействий (известные силы Ван-дер-Ваальса) обычно составляет несколько нанометров. Радиус действия многих других сил (статических, электрических и магнитных) зависит от размеров источника и может достигать микрометров или даже сантиметров (например, при использовании постоянных магнитов). Во всех этих случаях поверхность теряет «точность» определения и как бы «растягивается» до граничащего с ней вакуума

Развитие НТ настоятельно требует разработки новых видов аппаратуры, позволяющей не только определять геометрические параметры наноструктур, но и как-то оценивать их функциональные свойства. Некоторые проблемы можно прояснить на примере рисунков 6.4 и 6.5, где схематически представлены рамочные условия, специфически связанные с исследованием наноструктур. Анализ связан с отнесением индивидуальных нанообъектов к газообразной, жидкой или твердой фазе, что позволяет характеризовать их внутренние, возможно неоднородные характеристики. Вообще говоря, полное изучение функциональных свойств наноструктуры требует, как правило, проведения разных исследований на различных пространственно- временных «уровнях свойств».

Для объектов, представленных на рис. 6.5, физические, химические и биологические свойства играют не меньшую роль, чем чисто геометрические параметры. Более того, эти свойства локализованы на различных временных и пространственных уровнях или масштабах. Особо следует учитывать, что структуры и процессы, которые представляются в макромире статичными и медленными, могут проявлять высокую динамичность в нанометровом масштабе (например, рост кристаллического зерна металла при напылении происходит со скоростью более 1 нанометра в секунду). Поэтому любой анализ свойств вещества должен осуществляться только во временно-пространственном единстве, с тем, чтобы пространственное и временное разрешение используемых аналитических методик соответствовали исследуемым явлениям. Вспомним, что процесс старения любого материала при определенных обстоятельствах начинается где-то внутри образца и связан с атомарными масштабами, и лишь спустя длительное время (возможно, через несколько лет) приобретает макроскопический характер. Некоторые микроскопические методы исследования с высоким пространственным

Рис. 6.5. В нанонауке и нанотехнологии возникают дополнительные требования к разрешающей способности и чувствительности применяемых методик, особенно в тех случаях, когда необходимо анализировать не только отдельные сложные нанообъекты, но и их внутреннее «устройство*

разрешением могут оказаться бесполезными, если они не обеспечивают одновременно достаточно высокого временного разрешения. Например, при изучении динамической структуры оболочки гидрата растворенных в воде ионов, следует учитывать, что переориентация молекул Н20 при определенных обстоятельствах может происходить с частотой около 1014 раз в секунду. Это обстоятельство диктует и выбор аппаратуры, вследствие чего для характеристики этого динамического процесса используется аналитический метод, который не обеспечивает высокого пространственного разрешения, однако в состоянии зарегистрировать молекулярную переориентацию с временным разрешением в 10'14 секунды.

Рис. 6.6. Описание и понимание функциональных свойств наноструктуры требует определения параметров системы на нескольких различных пространственно-временных уровнях. Геометрические характеристики могут быть определены методами современной микроскопии с очень высоким разрешением, однако при этом возникают проблемы с определением временных масштабов процессов

Представленные на рис. 6.6 примеры показывают разнооб- разие современных методов оценки различных функционал*»' ных свойств, позволяющих получать, с одной стороны, очен*3- высокое пространственное разрешение, с другой — описывать- динамические процессы с временным разрешением порядки- фемтосекунд (10-15 с). Кроме этого, существует ряд методов, ь которых пространственное и временное разрешение комбиниру- ются с тем, чтобы получить оптимальные условия для исследования отдельных процессов. Из общих физических соображений очевидно, что не существует методов, в которых сверхвысоко^ оптическое разрешение просто объединялось бы с возможностью регистрации очень быстрых процессов. Область НТ исследований относится к квантовой механике, в которой существую'*' собственные запреты и ограничения, включая знаменитое соотношение неопределенностей Вернера Гейзенберга, не позволяющее (даже теоретически) разработать микроскопически^ методы одновременного и точного определения положения ** импульса изучаемого микрообъекта.

Помимо экспериментов, связанных с измерением параметров и анализом свойств наноструктур в определенных пространственно-временных масштабах, все большее значение приобретает численное моделирование различных нанопроцессов. МопД' ные современные методы позволяют моделировать очень сложное функциональное поведение разных структур, причем (в отличие от экспериментальных работ) математическому мо ~ делированию формально доступна область мельчайших нано* структур и самых быстрых протеканий процессов.

Вообще говоря, речь идет о возможности регистрировать ** анализировать физические, химические и биологические свой - ства нанообъектов с использованием представленных на рис. 6.1 методик, точность которых, в соответствии с определенной дл-Я НТ областью, должна составлять не менее 100 нм. При этом ок?» - зываются непригодными многие классические методы оптического анализа, поскольку диаметр световых лучей обычк^ намного превышает это значение. Нанообъекты следует изучат*- зондами или пробниками размером около 100 нм (см. рис. 6.4gt;» причем с учетом взаимодействия между зондом и образцом ® каждой точке сканирования. Интегральное представление об образце возникает лишь в результате обработки данный gt; получаемых для каждой отдельной точки последовательно ил*1 параллельно проводимыми экспериментами. При использованн*1

просвечивающего электронного микроскопа информация относится к образцу в целом, а ее обработка и интерпретация осуществляется как бы интегрально. С другой стороны, в сканирующей зондовой микроскопии локальный зонд или электрод двигается «построчно» вдоль поверхности образца и посредством соответствующего смещения отдельных «строк» создает двухмерное изображение исследуемой области.

Взаимодействие между зондом и исследуемым объектом всегда включает влияние зонда на образец, и это взаимодействие является достаточно сложным, что должно постоянно учитываться при исследованиях. В некоторых вариантах зондовой микроскопии можно надеяться, что взаимодействия между зондом и образцом не являются деструктивными, то есть мы можем получать достаточно близкое к реальности изображение объекта в его исходном состоянии. Во всех манипуляциях с образцом следует различать обратимые и необратимые взаимодействия. Разумеется, в целом изменения образца при микроскопических исследованиях остаются нежелательными, что явно проявляется на снимках рис. 6.7, где, изменяя условия сканирования, исследователям удалось несколько варьировать получаемые изображения, извлекая из них дополнительную информацию относительно изучаемой структуры.

Выше обсуждались лишь общие аспекты микроскопии и аналитических методик в нанометровом диапазоне, однако представляется очевидным, что особое значение в развитии НТ будут иметь методы, позволяющие реально достигать пространственной точности (разрешения) порядка нанометров или даже меньше. Именно такие возможности обеспечивает сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), созданный еще в конце 1981 года сотрудниками исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе Гердом Бнннигом и Гейнрихом Рорером, что стало отправным моментом для целого ряда сканирующих и зондовых методов в микроскопии. Новейшими приборами этого типа являются сканирующие атомно-силовые микроскопы (САСМ) и так называемые оптические сканирующие микроскопы ближнего поля (СМБП). Все эти методы основаны на едином физическом подходе, который заключается в том, что локальный зонд двигается ¦построчно» над поверхностью образца, позволяя получать информацию о структуре с нанометровой точностью. Эксперименты такого рода позволяют не только анализировать состав и строение образца, но даже целенаправленно модифицировать


изучаемую поверхность, что стирает разницу между исследованием и обработкой поверхности. Применение разнообразных зондов и изменение окружающих условий позволяет в настоящее время проводить чрезвычайно интересные и разносторонние эксперименты в нанометровом диапазоне практически с любыми образцами.

Общая схема строения сканирующего зондового микроскопа приведена на рис. 6.8. Центральной частью устройства является пьезоэлектрический элемент, позволяющий создавать нужное положение зонда относительно поверхности образца. Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что электрическое поле в некоторых материалах (так называемых пьезоэлектриках) вызывает изменения кристаллической структуры, означающие ее расширение и сжатие в некоторых направлени-

Рис. 6.8. Блок-схема сканирующего зондового микроскопа. Зонд закреплен на пьезоэлектрическом элементе, позволяющем достаточно точно устанавливать зонд в трехмерном пространстве, то есть подавать требуемые электрические сигналы для его позиционирования в направлениях х, у, 2. Координаты х и у используются для построчного сканирования поверхности образца, а координата вдоль оси г используется для регулирования расстояния между зондом и образцом. Эту величину подбирают так, чтобы взаимодействие между зондом и образцом (непрерывно регистрируемое либо величиной туннельного тока, либо силой межмолекулярного взаимодействия) оставалось постоянным. Зависимость выходного сигнала усилителя, измеряющего положение зонда по оси г, от координат х-у позволяет построить (после надлежащей обработки данных) изображение рельефа поверхности исследуемого образца

ях, и этот эффект проявляется в очень разных формах. В зондо- вом микроскопе используется так называемый поперечный пьезоэффект (при котором приложенное электрическое поле Е направлено вертикально к оси расширения/сжатия). Схема эксперимента показана на рис. 6.9, а изменение размеров описывается формулой:


где через d31 обозначена так называемая вертикальная пьезоэлектрическая константа вещества.

Рис. 6.9. Схема измерений с использованием поперечного пьезоэлектрического эффекта. При наличии разности потенциалов между двумя электродами внутри пьезоэлектрического материала возникает электрическое поле Е, перпендикулярно к которому происходит изменение размеров образца, что и используется для прецизионных измерений положения зонда в пространстве

В настоящее время в качестве пьезоэлемента в таких устройствах широкое применение находят пьезотрубки, трехмерное перемещение которых (с помощью перпендикулярно направленных электродов на внешней стороне) может регулироваться довольно сложным образом, что схематически представлено на рис. 6.10. При надлежащей настройке (подборе размеров пьезотрубок, температуры и т. д.) такие устройства позволяют

Рис. 6.10. Трубка из пьезоэлектрического материала, используемая в сканирующих зоидовых микроскопах в качестве сканера. Создавая разность потенциалов между парами электродов на поверхности трубки, можно осуществлять движение в направлениях х и у. Подбирая разность потенциалов между четырьмя параллельно включенными внешними электродами и концентрическим внутренним электродом трубки, можно изменять длину трубки вдоль ее оси

осуществлять точные манипуляции во всех направлениях пространства.

Достаточно сложная техническая проблема при таких измерениях заключается в том, что в исходном состоянии (начало эксперимента) зонд и образец должны быть удалены друг от друга на макроскопическое расстояние (миллиметры), чтобы считывание сигнала с поверхности образца путем сканирования было невозможно. При достаточно малом рабочем расстоянии между зондом и образцом сигнал на выходе детектора отражает свойства исследуемого образца за счет использования пьезотрубки. Продольная область растра составляет при этом обычно от 1 мкм до 100 мкм, а типичное расстояние между зондом и образцом — от долей нанометра до нескольких десятков нм. При достаточно низких температурах (например, при температуре кипения жидкого гелия 4,2 К) неоднородности движения пьезотрубки значительно уменьшаются, поскольку пьезоэлектрическая константа с/31 очень сильно зависит от температуры. Для «грубой* установки зонда (в пределах миллиметра с точностью порядка 1

Рис. 6.11. Пьезоэлектрический двигатель, допускающий «грубую* установку зонда на миллиметровых расстояниях от поверхности образца, но с точностью до нанометров. При подаче необходимых импульсов напряжения на пьезоэлектрические элементы системы, сапфировая призма двигается независимо от начальных нагрузок (без воздействия гистерезиса) я констант пьезоэффекта в сапфире и игле

мкм) можно использовать своеобразные «пьезодвигатели», типа представленного на рис. 6.11 (Pan и др., 1999)

Вне области малых сигналов пьезоэлектрический эффект имеет четко выраженные свойства гистерезиса (Fatikow, 2000), для преодоления воздействия которых многие сканирующие зон- довые микроскопы обеспечиваются пассивной или активной линеаризацией регистрируемого сигнала. При пассивной линеаризации нелинейность эффекта учитывается посредством настройки управляющего напряжения V, соответствующей заранее измеренной характеристической кривой гистерезиса. При активной линеаризации фактически измеряется развертка сигнала пьезоэлемента в зависимости от приложенного управляющего напряжения, а измерение может производиться либо оптически (интерферометр, отклонение лучей), либо по изменению емкости дифференциальных датчиков, либо с помощью тензодатчиков на поверхности пьезоэлемента. Измеренное значение гистерезиса компенсируется в дальнейшем регулировкой регистрирующих устройств и схем.

В принципе, сканирующие зондовые методы могут применяться в самых различных условиях окружения (во многих случаях их эксплуатация должна происходить в обычных условиях и при комнатной температуре), но сканирующая туннельная микроскопия весьма чувствительна к загрязнениям и неоднородностям поверхности, которые в нормальных условиях практически неизбежны. Для более точных измерений с минимальным уровнем примесей следует проводить эксперименты в очень высоком вакууме (давление порядка - 10'12 мбар), поэтому часто сканирующую микроскопию объединяют с высоковакуумными установками, внутри которых смонтированы приспособления для препарирования и анализа образцов, как показано на рис. 6.12. Естественно, что эксплуатация таких комплексов осуществляется при низких температурах (в диапазоне до милликельвина).

Уменьшение тепловой энергии кТ соответственно улучшает энергетическое разрешение, но понижает динамику многих процессов, связанных с температурой, особенно в тех случаях, когда анализируемые явления зависят от соответствующих фазовых переходов. Например, возникновение сверхпроводимости относится к низкотемпературным эффектам, хотя в некоторых случаях, естественно, необходимо работать и при высоких температурах образца (например, при изучении процессов плавления и т. п.). В таких ситуациях необходимо тщательно следить за расстоянием между зондом и поверхностью образца и учитывать тепловые эффекты. На рис. 6.13 показан термически индуцированный процесс очистки поверхности кремния, который может быть использован в производственных целях. Сканирующие зондовые микроскопы уже стали играть огромную роль в разнообразных исследованиях (биология, электрохимия, процессы увлажнения и т. п.), где часто возникают очень интересные и нестандартные наноструктуры, типа показанной на рис. 6.14 системы из металлических точек в электролите.

Из представленной на рис. 6.8 схемы строения сканирующего зондового микроскопа легко заметить, что взаимодействие между зондом и образцом во многом зависит от вида используемого зонда, выбранных условий среды и режимов эксплуатации. На рис. 6.15 показаны важнейшие типы зондов, работающих или разрабатываемых на этой основе (сканирующий зондовый, сканирующий атомно-силовой и т. п.). Зонды для туннельных микроскопов изготавливают путем электрохимического вытравливания металлических проводников, по которым должен протекать электрический туннельный ток (как показано на рис. 6.16), имеющий сложную физическую природу (наложение или иное взаимодействие электронных орбита- лей между атомами образца и зонда). Такие процессы, естественно, очень сильно зависит от расстояния между зондом


Рис. 6.12. Вверху показана общая схема многокамерной высоковакуумной установки с рядом требуемых приспособлений для анализа. Внизу приведена фотография реально действующей установки этого типа (для работы с чистыми материалами применяется вакуум с давлением порядка 10~12 мбар)

Рис. 6.13. Изображения участка поверхности кремния (30 нм х 30 нм), частично покрытого оксидами, полученные на туннельном микроскопе при измерениях в диапазоне температур от 980 до 1000 К. Можно отметить исчезновение дефектов с поверхности кремния при увеличении температуры

Рис. 6.14. Выделяемые в электролите электрохимическим способом наиодоты (микрочастицы) меди на поверхности (111) монокристалла золота. Рисунок показывает, что сканирующие зондовые микроскопы можно применять для изучения не просто жидких, но и электролитических систем. В основе метода лежат процессы массообмена с высокой воспроизводимостью, позволяющие выделять почти одинаковые частицы металла в больших количествах

и образцом, что, собственно говоря, и используется для регистрации очень небольших отличий в межатомных расстояниях. На этом принципе и основаны описываемые микроскопы, позволяющие при очень высокой точности регистрации значения тока получать близкие к реальности атомарные структуры на поверхности образца и даже угадывать закономерности их строения с атомарной точностью.

Более того, используя в качестве зонда специально изготовленный гибкий элемент (рис. 6.15), можно даже определить строение топографических структур на поверхности образца, замеряя локальные отклонения такого элемента. Поведение такого гибкого элемента при построчном «ощупывании» поверхности образца можно сравнить с колебаниями иглы проигрывателя или даже еще первого, классического граммофона, изобретенного Эдисоном. Регистрация отклонений с использованием оптических датчиков дает исследователям информацию об атомном строении

Рис. в. 15. Важнейшие виды сканирующей зондовой микроскопии. В верхней части показан зонд туннельного микроскопа, создаваемый путем электрохимического вытравления металлических материалов. В середине показан изготовленный из кремния гибкий зонд (кантилевер) атомного силового микроскопа. В нижней части представлено изображение сильно вытравленного одномодального стекловолокна, покрытого слоем алюминия, где только в области острия имеется небольшое отверстие для поступления света. Длина волны излучаемого через это отверстие света существенно меньше длины волны подводимого к стекловолокну лазерного излучения (примерно 600 нм)

Рнс. 6.16. Схема строения сканирующего туннельного микроскопа. В отличие от общей схемы (см. рис. 6.8) зонд выполнен в форме отточенного металлического острия. При расстоянии между острием и поверхностью образца около 1 нм (или даже менее) происходит наложение электронной плотности состояний между зондом и образцом, в результате чего при подаче разности потенциалов (около 1 В или меньше) между ними возникает регистрируемый установкой ток. Проводя «построчно* таким зондом над поверхностью, можно получить изображение исследуемой поверхности

поверхности изучаемого объекта, что в некоторых системах позволяет добиться атомного разрешения даже в случаях, когда сама поверхность не является проводящей. Это поразительное достижение объясняется тем, что гибкий зонд (в определенных условиях) может испытывать локальные колебания над поверхностью образца почти любой природы и строения, что позволяет описывать атомы поверхностности не только за счет их электрических взаимодействий (EFM — электро-силовой микроскоп), но и магнитных свойств (MFM — магнитно-силовой микроскоп), а также комбинацией этих характеристик. На рис. 6.17 представлена общая схема такого сложного сканирующего микроскопа, основанного на регистрации физических сил различного типа, а на рис. 6.18 представлено полученное таким образом изображение поверхности жесткого магнитного диска для записи информации. Использование MFM (магнитно-силового микроскопа) в этом случае позволяет получить изображение структур, соответствующих записи магнитных информационных единиц (битов). Взаимодействие между магнитным зондом и жестким диском при измерениях было достаточно сильным, так что магнитный зонд силового

Рис. 6.17. Схема строения сканирующего атомно-силового микроскопа. В отличие от общей схемы (рис. 6.8), зонд иредставляет некий гибкий элемент (консоль, рычаг, кантилевер), способный при достаточно маленьком расстоянии над поверхностью образца в статическом состоянии или при возбуждении резонансной частотой регистрировать силы межатомного взаимодействия. В особых режимах эксплуатации микроскопа, между зондом и образцом специально допускается временный или длительный контакт

микроскопа в экспериментах сканировал поверхность образца на высоте нескольких нанометров. В настоящее время сканирующая силовая микроскопия (уже имеющая много вариантов эксплуатации), по-видимому, является самым универсальным и важным аналитическим методом в исследовании наноструктур вообще.

Используя в качестве локального зонда остро отточенное стекловолокно, в котором лазерное излучение может выходить лишь сквозь небольшое отверстие на кончике зонда, можно создать устройство более сложного типа, называемое сканирующим микроскопом ближнего поля (СМБП), схема которого представлена на рис. 6.19. Благодаря тому, что свет испускается из отверстия, размеры которого меньше длины волны исходного излучения, а сам нанометровый источник находится очень близко к поверхности исследуемого образца (от нескольких нм до нескольких десятков нм), возникающее оптическое изображение не имеет ограничений при отражении. Иными словами, прибор позволяет получать оптические изображения структур, параметры которых значительно меньше, чем длина волны

Рис. 6.18. Изображение структур, соответствующих единицам информации (битам) на поверхности намагниченного жесткого диска, полученное посредством сканирующего магнитно-силового микроскопа, регистрирующего магнитные взаимодействия между зондом и участками диска с различной намагниченностью, схематически показанными в нижней части рисунка

используемого света! Не стоит даже говорить об огромных возможностях такой методики в самых разных областях.

Разнообразные методические разработки в области сканирующих зондовых методов уже позволили получить множество важных и интересных результатов. Представление о современном состоянии исследований в этой области могут дать некоторые публикации, список которых приведен в конце книги (Guntherodt и Wiesendanger, 1992-1994; Wiesendanger, 1994; Chen, 1993; Wiesendanger, 1998).

Выводы: Информацию о структуре вещества в нанометровом масштабе, в принципе, можно получить, используя рентгеновские и микроскопические методы. Индивидуальное строение наноструктур можно исследовать только с помощью сканирующих методов (STM, SFM, MFM, SNOM, SEM и т. д.). Микроскопический анализ можно проводить на различных пространственно-временных уровнях свойств, причем стоит отметить, что практически не существуют методы, обладающие одновременно очень высоким и пространственным, и временным разрешением. Сканирующие методы базируются на единой аппаратной концепции, в которой центральную роль играет использование пьезоэлектрического элемента для определения положения зонда относительно поверхности образца, что, вследствие очень небольших расстояний, требует использования сложных, замкнутых контуров управления. Методы сканирующей микроскопии обладают огромными перспективами как для исследования наноструктур, так и для контроля промышленного производства. 

<< | >>
Источник: Хартманн У.. Очарование нанотехнологии. 2008

Еще по теме Аналитические методы:

  1. ГЛАВА III ПОЧЕМУ ЯЗЫКИ ЯВЛЯЮТСЯ АНАЛИТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ. НЕСОВЕРШЕНСТВО ЭТИХ МЕТОДОВ
  2. 2.3. Методы исследования технологических свойств муки и качества готовых изделий
  3. Методы исследования2.2.1 Методы моделирования в технологии хлебобулочных изделий с включением биологически активных добавок
  4. 13.2. КЛЮЧЕВАЯ МЕТАФОРА ГЕРМЕНЕВТИЧЕСКОГО МЕТОДА: «ВРЕМЯ КАРТИНЫ МИРА»
  5. 4.1. Эвристические методы
  6. 6.4. Информационно-аналитическая система «Дипломат»
  7. § 4. Формы и методы публичного управления
  8. А. А. Никишенков МЕТОД СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА А. Р. РЭДКЛИФФ-БРАУНА И ПРОБЛЕМА ИЗУЧЕНИЯ ОТНОШЕНИЙ РОДСТВА В ДОКЛАССОВЫХ ОБЩЕСТВАХ
  9. Физико-химические методы
  10. § 3. Класс.Фькация методов географическихиссле,ований. Традиционные методы
  11. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ФИЛОСОФИЯ
  12. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
  13. Классификация аналитических методов на основе физико-химических принципов
  14. Методы оценки интенсивности техногенных нагрузок на окружающую среду
  15. Методы психологии
  16. Стандартные методы НТ
  17. Аналитические методы
  18. Электрохимические методы анализа