<<
>>

Сканирующая зондовая микроскопия

  Представьте, что вам завязали глаза и попросили как можно подробнее описать некоторый предмет. Каковы будут ваши действия? Конечно, сначала вы хорошенько ощупаете его, постаравшись получить хоть какую-то информацию.
При этом получить сведения о некоторых свойствах данного предмета вам, конечно же, не удастся (например, о его цвете). Тем не менее, вы сможете рассказать многое о форме предмета, его размерах, температуре, твердости, материале, из которого он сделан, и т.п.

Принцип подобного “ощупывания” поверхности лежит в основе так называемых сканирующих зондовых микроскопов, определяющих мельчайшие неровности поверхности, ведя по ней кончиком сверхтонкого зонда.

Сканирующие зондовые микроскопы обеспечивают атомарное разрешение и работают не только в вакууме, но и в газовой и жидкой среде. Сегодня они являются основным аналитическим оборудованием нанотехнологов

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

С основными типами сканирующих микроскопов — туннельным и атомно-силовым — мы уже знакомы, так что при желании можно перечитать соответствующие параграфы первой главы, а здесь мы лишь вкратце напоминаем их суть. Сканирующий туннельный микроскоп

Основой СТМ является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью, почти касаясь ее (зазор между иглой и поверхностью составляет менее одного нанометра). При этом вследствие туннельного эффекта между острием иглы и поверхностью образца возникает туннельный ток.

Сильная зависимость туннельного тока от расстояния (при изменении зазора на одну десятую нанометра ток изменяется в 10 раз) обеспечивает высокую чувствительность микроскопа.

Баланс иглы на столь малом расстоянии от исследуемой поверхности обеспечивается следящей системой, управляющей пьезоманипулятором по результатам измерения туннельного тока.

Измеряя величины управляющих сигналов, определяют высоту исследуемой области, а перемещая иглу вдоль поверхности образца, определяют профиль поверхности с точностью до отдельных атомов.

Основанные на измерении туннельного тока изображения, получаемые с помощью этого микроскопа, дают информацию о пространственном распределении плотности электронных состояний вблизи поверхности. Образно говоря, туннельный микроскоп как бы “видит” распределение электронных облаков вблизи поверхности.

Атомно-силовой микроскоп

Сразу после изобретения туннельного микроскопа исследователи всего мира убедились, что это прибор необыкновенно замечательный, ведь до его появления еще никому не удавалось

разглядывать поверхность с такой неслыханной точностью — атом за атомом! Однако и у СТМ есть недостаток: с его помощью можно изучать только материалы, хорошо проводящие элект-

www.nanonewsnet.ru

рический ток. Поэтому когда с помощью СТМ принялись изучать непроводящие вещества, их пришлось покрывать тонкой метал-лической пленкой, что было не всегда удобно.

Но вот в конце 1986 Биннинг, один из изобретателей СТМ, предложил конструкцию нового сканирующего прибора, измеряющего не туннельный ток, а силу связей между атомами вещества. Новый прибор был назван атомным силовым микроскопом. В нем регистрируют изменения силы притяжения иглы к поверхности. Игла расположена на конце кантилевера, способного изгибаться под действием небольших межатомных сил, которые возникают между исследуемой поверхностью и кончиком острия. Зонд “ощупывает” поверхность образца практически в буквальном смысле слова.

Мельчайшие отклонения кантилевера детектируются с помощью лазерного луча, отражающегося от его тыльной поверхности на фотодиод. По изменению показаний фотодиода судят о рельефе исследуемого объекта.

Типы кантилеверов

Атомно-силовая микроскопия оказалась настолько эффективной, что на ее основе были созданы другие специфические методики, позволяющие получать картины не только рельефа поверхности, но и многих других показателей. В частности, на сегодняшний день наиболее распространены следующие разновидности АСМ: Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) в качестве зонда использует намагниченное острие. Его взаимодействие с поверхностью образца позволяет регистрировать магнитные микрополя и представлять их в качестве карты намагниченности. Электро-силовой микроскоп (ЭСМ) — в нем острие и образец рассматриваются как конденсатор и измеряется изменение ёмкости вдоль поверхности образца. Сканирующий тепловой микроскоп регистрирует распределение температуры по поверхности образца. Его разрешение достигает порядка 50 нм, так как в меньших масштабах такая макроскопическая характеристика вещества как температура не применима. Сканирующий фрикционный микроскоп “скребется” по поверхности, составляя карту сил трения. Магниторезонансный микроскоп позволяет получать изображение спинов отдельных электронов, отслеживая реакцию поверхности на быстро изменяющееся магнитное поле зонда. Атомно-силовой акустический микроскоп позволяет очень точно измерять модуль Юнга в каждой точке как мягких, так и твердых образцов.

Одним из недостатков АСМ является невозможность изучить глубинную структуру образца — ведь зонд скользит по поверхности и не может заглянуть внутрь. Однако и это ограничение удалось обойти — ученые уже построили настоящий дизассемблер, названный трехмерным атомно-зондовым томографом, который сканирует небольшой участок, потом «выщипывает» слой толщиной в один атом и сканирует участок снова, записывая параметры каждого нового атома. Современные томографы успевают «выщипать» 20.000 атомов в секунду — т.е. 72 миллиона атомов в час.

Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля

Отдельного внима-ния заслуживает оптический микроскоп ближнего поля (SNOM).

По принципу действия он напоминает туннельный микроскоп, только в качестве зонда здесь применяется очень тонкая “прозрачная игла” из оптоволокна, а вместо туннельного тока регистрируются изменения характеристик проходящего по ней лазерного луча.

Каким же образом происходит сканирование объекта? Оптоволоконный зонд, сужающийся до диаметра меньше длины волны света, подносится вплотную к сканируемой поверхности (на расстояние меньше длины волны) и как бы “чувствует” поверхность. “Чувствовать” здесь означает буквально следующее: согласно законам оптики на границе раздела двух сред различной плотности (стекло/воздух) световой луч преломляется и отражается от торца иглы. При этом световая волна не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка “вываливается” из его кончика.

На другом конце волновода установлен приемник отраженного от свободного торца света. Зонд сканирует образец подобно игле туннельного микроскопа, и если меняется расстояние между исследуемой поверхностью и кончиком зонда, то меня-

Рис 140. Схема работы оптического сканирующего микроскопа

ются и характеристики отраженной световой волны (амплитуда и фаза). Эти изменения регистрируются приемником и используются для построения изображения рельефа поверхности.

Разрешение, получаемое таким методом, достигает 50 нм, что на порядки превосходит разрешение обычного оптического микроскопа. Кроме того, оптическая микроскопия ближнего поля идеально подходит для исследования различных биообъектов, ведь при использовании простых световых волн биообъект не подвергается никакому разрушительному воздействию (в отличие от АСМ, где возможно механическое повреждение образца, или электронной микроскопии с ее ионизирующим облучением).

Недавно исследователи добились еще большего разрешения SNOM, объединив ближнепольную оптическую микроскопию с многоножкой от IBM (см.

главу «Наноэлектроника и НЭМС»). У такого гибридного прибора ожидается разрешение в 13 нм, что в десятки раз меньше длины световой волны!

Наноиндентор

Из главы “Нанохимия и наноматериалы” нам известно, что абсолютное большинство веществ в наноформе значительно отличаются по химическим свойствам от своего макроскопического состояния, в частности, изменяется их каталитическая активность. Это объясняется тем, что удельная площадь поверхности (доля поверхностных атомов) у нанообъектов значительно выше, чем у веществ в обычном состоянии.

То же самое справедливо и для механических свойств (твердости, пластичности, упругости и т.п.). Результаты практических опытов показали, что, абсолютное большинство материалов в субмикронных масштабах ведут себя как предельно проч

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

ные, подобные алмазу, даже если в обычном состоянии являются мягкими материалами (как, например, пластилин). Другими словами, в условиях наноконтакта твердость материала может во много раз превышать его макроскопическую твердость. Особенно сильно это проявляется в областях с характерными размерами менее 100 нм. Наглядной моделью этого поразительного, на первый взгляд, процесса может служить пружина: гораздо легче сжать металлическую пружину, чем сам материал, из которого она состоит.

Для исследования механических свойств различных материалов в нанометровом диапазоне широко применяется специальный метод определения микротвердости вещества — наноиндентиро- вание (от англ, “indent” — выдалбливать, образовывать выемку).

Наноиндентирование осно-вано исключительно на механическом воздействии на исследуемую поверхность и не требует визуализации ее рельефа.

Метод очень прост и заключается в прецизионном погружении зонда в поверх-ность образца на глубину нескольких нм и непрерывной регистрации прилагаемого1 усилия.

Затем по этим данным строится диаграмма “сила давления — глубина погружения”, из которой можно извлечь десятки параметров, характеризующих материал на нанометровом уровне!

Этот простой и дешевый способ позволяет, имея в распоряжении минимум материала, производить комплексные исследования его поверхностных свойств. Нано- индентирование позволяет иссле- www.nanonewsnet.ru

довать динамику процессов в наномасштабе, что недоступно другим методам, в частности, атомно-силовой, электронной и оптической микроскопии.

Сканирующие зондовые лаборатории

Говоря о сканирующих зондовых микроскопах, нельзя не упомянуть российскую компанию "Нанотехнология-МДТ", которая уже более 10 лет производит СТМ, АСМ, СБОМ и другие приборы, по качеству не уступающие зарубежным конкурентам. Более того, компания создает новые типы нанооборудования — сканирующие зондовые лаборатории. Это комплекс, включающий в себя целый набор различных зондовых устройств. Кроме детальной информации о поверхности такая лаборатория позволяет провести спектральный анализ объекта, реконструировать его трехмерную структуру, а также допускает возможность автоматизации исследований!

Применение СЗМ в биологии очень ограничено, потому что живые организмы относительно крупные и подвижные. А оптические микроскопы имеют малое разрешение, не позволяя исследовать объекты, размер которых меньше 1 микрона.

Чтобы преодолеть эти ограничения, разрабатывают систему, позволяющую наблюдать объект оптическими методами, а при необходимости исследовать отдельные участки средствами СЗМ. При этом происходит точное наложение изображений, полученных с помощью оптического микроскопа и СЗМ. Полученную таким образом информацию об объекте можно существенно дополнить данными о его химическом составе. Для этой цели комплекс оснащен сканирующим спектрометром и сверхбыстрыми лазерами.

Сканирующая зондовая лаборатория "NTEGRA' позволяет изменять температуру образца в диапазоне от -30°С до +300°С прямо во время работы. Это позволяет наблюдать разные структурные изменения на поверхности образца: кристаллизация, плавление, процессы роста, и т.д.

При исследованиях живых объектов, а также во многих химических экспериментах необходимо проводить сканирование в жидкости. Для таких исследований разработана закрытая жидкостная ячейка с протоком жидкости и нагревом. С ее помощью можно изучать биологические объекты - живые клетки или взаимодействующие макромолекулы.

В одной из зондовых лабораторий совмещены криотом — специальный прибор для получения ультратонких срезов — и база СЗМ. Мгновенное исследование методами СЗМ свежего среза замороженного биологического образца позволяет получить изображение его внутренней структуры. При этом можно измерить и записать карты таких параметров, как жесткость, липкость, вязко-эластичность и т.п. Последовательный анализ поверхностей образца, получаемых при удалении ультратонких слоев с помощью микротома, позволяет реконструировать трехмерную структуру объекта.

Учебное нанотехнологическое оборудование “УМКА”

Обратите внимание, что сканирующие зондовые микроскопы не настолько просты в использовании, как может показаться из описания. Затупившаяся или слегка поврежденная игла зонда, недостаточная чистота поверхности образца и другие несовершенства могут значительно мешать достижению точного атомарного разрешения. Кроме того, для корректного функционирования этих приборов требуется обеспечить их максимальную вибро- и шумоизоляцию, дабы проезжающий мимо лаборатории трамвай не повредил столь чувствительные приборы в момент их работы.

Вот почему помимо собственно сканирующих микроскопов в комплекте с ними обычно поставляются еще и сложные вибро-, термо- и шумоизоляционные установки. Кроме того, для работы на атомном уровне эти микроскопы должны находиться в глубоком вакууме и при сверхнизких температурах. Все это самым непосредственным образом сказывается на их размерах и стоимости — микроскоп среднего уровня занимает много места и стоит сотни тысяч долларов. В современных условиях приобрести такое оборудование может позволить себе далеко не каждый исследовательский центр, не говоря уже об обычных вузах и частных лабораториях.

В связи с этим невозможно не упомянуть чудо отечественной инженерной мысли: уникальный сканирующий туннельный микроскоп “УМКА”, произведенный концерном “Наноиндустрия”. В отличие от зарубежных аналогов, “УМКА” умещается в небольшом кейсе, стоит менее 9 тысяч долларов и работает в комнатных условиях!

Рис 143. Сканирующий туннельный микроскоп "УМКА"

Созданная специально для обучения нанотехнологов, такая установка может быть использована для исследовательских и лабораторных работ на атомно-молекулярном уровне в области физики, химии, биологии, медицины, генетики и других наук.

Комплекс “УМКА” включает в себя: туннельный микроскоп, систему виброзащиты, набор тестовых образцов, наборы расходных материалов и инструментов. Программа с открытым кодом позволяет управлять экспериментами и наблюдать результаты с обычного компьютера. Ниже приведены основные достоинства комплекса “УМКА” по сравнению с мировыми аналогами: разрешение до 0,01 нм; низкая стоимость; малые габариты; не требует специального обучения для работы; нет механических деталей, требующих смазки и ремонта; повышенная виброустойчивость и помехозащищенность; не требуется специальные помещения и фундамент; возможность работы в вакууме и неагрессивных газах; сканирование пленок и биообъектов без предварительного напыления металла (работа на ультранизких токах); высокая температурная стабильность, позволяющая проводить длительные манипуляции с группами атомов; высокая скорость сканирования, позволяющая наблюдать быстропротекающие процессы; гибкое программное обеспечение с открытым кодом; для управления используется обычный персональный компьютер и др.

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

Вспомните, какую роль сыграли в начале XIX века удешевление и доступность первых оптических микроскопов. Получив широкие возможности изучать мир микроорганизмов и клеток, человечество колоссально продвинулось в своих знаниях о том, как устроена жизнь, какие законы природы лежат в ее основе.

Сегодня “УМКА” делает мир атомов и молекул реально доступным для талантливых исследователей ХХ! века. Ее компактность, надежность, широкие возможности и, главное, доступная цена, несомненно, приведут к тому, что большинство научных лабораторий в России смогут изучать нанотехнологии не только теоретически. А значит, не за горами эпоха новых открытий и свершений!

Нановесы

Весами, на которых можно взвешивать тела с массой в несколько милли- и микрограмм, давно уже никого не удивишь — они используются в любом школьном кабинете физики. Но нельзя непосредственно взвесить как очень большой, так и очень маленький объекты, поскольку для них не существует эталонных мер.

А можно ли взвесить объект, масса которого в десятки миллионов раз меньше микрограмма? Для работы с подобными микроскопическими телами недавно сотрудниками Технологического института штата Джорджия (США) были созданы самые чувствительные и самые маленькие в мире весы. Они состоят из тонкого кантилевера-нанотрубки длиной около 4 микрон (он-то и представляет собой чашу весов). На рисунке изображена процедура взвешивания вируса, масса которого равна 22 фемтограммам

В основе работы нановесов лежит эффект, хорошо известный из школьной физики: собственная частота колебаний пружины зависит от массы груза и ее жесткости.

Другими словами, зная коэффициент упругости пружины и измерив частоту ее колебаний, можно с легкостью определить

www.nanonewsnet.ru

массу частицы, находящейся на ее конце. Точно так же можно измерять массу, подсоединенную к свободному концу нанотрубки. В созданных весах кантилевер приводится в колебательное движение с помощью импульса лазера или переменного электрического поля. При этом он освещается тонким лазерным лучом, способным улавливать мельчайшие отклонения его собственной частоты колебания. Как только частица попадает на кантилевер, частота его колебаний уменьшается. Сдвиг собственной частоты из-за искомой добавочной массы измеряется с помощью “зайчика”, отражающегося от кантилевера.

Если известна упругость нанотрубки, то можно по смещению резонансной частоты определить массу частицы. И присоединенная масса (даже очень незначительная) может быть определена путем простого вычисления. На нановесах можно “взвесить” объект массой около 10-15 г! При присоединении такой массы резонансная частота падает более чем на 40%.

Более точных методов измерения массы предельно малых объектов, чем нановесы, пока еще нет. Исследователи взвесили таким образом даже вирусы. Нанотрубочные весы нашли широкое применение для измерения бактерий, клеток, биомолекул и других биологических объектов.

Спектроскопия

Для изучения наноструктур важно знать не только их массу или расположение атомов, но и то, из чего они состоят. Определять химический состав образцов — т.е. содержание в них атомов тех или иных элементов — позволяют методы спектроскопии, использующие различные приборы для исследования спектров излучения, поглощения, отражения, рассеяния и др.

Спектр — это распределение интенсивности электромагнитного излучения по длинам волн

Изменение энергетических уровней электронов в атомах сопровождается испусканием или поглощением фотонов различной частоты. Зная, какие частоты (спектральные линии) соответствуют атомам различных химических элементов, можно, взглянув на спектр вещества, определить его состав.

Один из самых современных спектрометров, разработанный российским ученым Н. Суриным, позволяет одновременно исследовать спектры испущенного объектом излучения, лю-

минесценции, рассеяния света, излучения, отраженного поверхностью объекта и излучения, прошедшего через образец. Это дает огромное количество информации не только о составе образца, но и о происходящих в нем квантовых процессах.

С помощью спектрометра можно узнать не только состав, но и, например, количество наночастиц. Известно, что наночастицы в растворе имеют примерно одинаковый размер, но с течением времени слипаются в более крупные комочки и оседают. Соответственно, их количество в растворе постепенно уменьшается. Теперь возьмем каплю этого раствора и поместим в спектрометр. По интенсивности спектральных линий, соответствующих материалу наночастиц, можно рассчитать концентрацию соответствующих атомов в растворе. Разделив ее на количество атомов в наночастице, получим количество наночастиц на кубический сантиметр раствора.

<< | >>
Источник: Мария Рыбалкина. НАНОТЕХНОЛОГИИдля всех. 2005

Еще по теме Сканирующая зондовая микроскопия:

  1. Развитие нанотехнологий.
  2. Материально-техническая база научных исследований
  3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОПОРОШКОВ И НАНОМАТЕРИАЛОВ
  4. Зарождение траектории развития нанотехнологий
  5. Определения и классификаторы нанотехнологий
  6. Конструкционные и функциональные материалы
  7. Индикаторы развития институционально-технологической инфраструктуры
  8. Индикаторы распространения нанотехнологий в производственной сфере
  9. Приоритетные направления научно-технической политики
  10. РАЗДЕЛ 4 ФУЛЛЕРЕНЫ, ФУЛЛЕРИТЫ, НАНОТРУБКИ
  11. Пучки заряженных частиц низких и средних энергий в нанотехнологиях
  12. СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
  13. Глава III. Раздел 3. Реальные фракталы и методы определения фрактальной размерности.
  14. Введение