Журнал «Вокруг Света» № 6 за 2005 год (2777)
Шрифт:
Оптический и электронный микроскопы, рентгеновские аппараты и спектрографы, синхрофазотроны и компьютерные томографы, сканирующие туннельные и атомно-силовые микроскопы – это лишь часть инструментальных вех, оставленных учеными и инженерами на пути в глубины мира. Любой из этих приборов заслуживает отдельного внимания, но сегодня речь пойдет о самых новых – сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ), позволяющих в прямом смысле слова видеть и трогать отдельные атомы.
Согласно квантовой механике и принципу неопределенности Гейзенберга одновременное измерение координат и скорости объекта с любой точностью невозможно. Из соотношения неопределенности следует, что для характерных энергий
Световые волны, рентгеновские лучи и пучки электронов идеально подходят на роль исследователей структуры вещества именно благодаря мягкости своего воздействия на атомы. Однако эти методы зондирования, как правило, работают с группой атомов и позволяют понять ее структуру только при наличии большого упорядоченного куска кристаллической решетки.
Знаменитая двойная спираль ДНК была разгадана более полувека назад, после того, как удалось получить достоверные рентгенограммы закристаллизованной, то есть жестко упорядоченной, молекулы жизни. Отдельные атомы и структуру их электронных облаков ученые увидели еще в 1955 году с помощью ионного микроскопа Эрвина Мюллера, позволившего спроецировать кончик тончайшей металлической иглы на огромный фосфоресцирующий экран. Но эта замечательная конструкция ни в коей мере не была универсальным прибором, позволяющим исследовать любые материалы с субмикронным разрешением.
Революция в изучении атомарной структуры поверхности началась тогда, когда такую тонкую иголочку с острием, состоящим всего из нескольких атомов, сумели использовать в качестве зонда, исследующего строение другого тела.
Так же как в любой толпе людей есть всегда кто-то крайний, так и на любой игле всегда есть атом, который находится на кончике острия. Правда, такая идеальная ситуация наблюдается только у специально заточенных игл, а у обычных на кончике имеется множество микроиголок – своеобразный лес из елок на пологом холме. Сравнение с деревьями и земными возвышенностями здесь вполне уместно, поскольку даже у самых острых швейных игл радиус кривизны острия измеряется десятками микрон, в то время как атомарное микроострие имеет толщину порядка десятка нанометров, то есть в тысячу раз меньше. Именно самым высоким острием и его крайним атомом и происходит ощупывание изучаемой поверхности в сканирующем туннельном зондовом микроскопе (СТМ).
О том, что твердое тело остается твердым и на уровне отдельных атомов, ученые узнали еще во время исследований внутренних различий трех агрегатных состояний вещества – твердого, жидкого и газообразного. Однако только во второй половине ХХ века удалось найти те физические эффекты, которые позволили ощутить контакт двух тел в тот момент, когда соприкоснулись всего два атома, принадлежащих разным телам. Как и следовало ожидать, таким эффектом оказалось квантовое явление – туннельный ток.
В металлах существует множество электронов, свободно перемещающихся по всему объему проводника. Этот своеобразный электронный газ обеспечивает высокую электропроводность серебра, меди, алюминия и других металлов. Электроны, свободно перемещаясь внутри проводника, не могут, однако, его просто так покинуть. Для выхода из толщи металла им надо преодолеть некий потенциальный барьер, то есть своеобразную стенку, которую не перепрыгнешь, не разогнавшись.
В вакуумных фотоэлементах, превративших с помощью звуковой дорожки немое кино в говорящее, энергию электронам сообщали кванты света. В туннельном сканирующем микроскопе электронам приходится перепрыгивать через вакуумный промежуток под действием небольшого электрического поля. Разность потенциалов между иглой и образцом в этом случае бывает существенно меньшей, чем высота потенциального барьера.
Решающее значение для создания сканирующего зондового микроскопа имела очень резкая зависимость туннельного тока от величины зазора между двумя проводниками. При увеличении расстояния между зондом и поверхностью всего на несколько ангстрем (1 ангстрем = 0,1 нм = 10-10 м) этот ток уменьшается в сотни раз. Благодаря сильной зависимости туннельного тока от расстояния большая его часть течет именно через крайний атом зондирующего острия. Сканирующие зондовые микроскопы как раз и обнаруживают атомарную поверхность, ориентируясь на этот ток. Рабочий ток в таких микроскопах колеблется от десятка пА (10-12 А) до единиц нА (10-9 А). А это значит, что за одну секунду через крайний атом пролетает от сотни миллионов до десятка миллиардов электронов. Для обычных металлов это крайне большая плотность тока (тысячи ампер на квадратный миллиметр). Так что любой проводник мгновенно расплавился бы при такой токовой нагрузке. Однако превращение кинетической энергии туннелировавшего электрона в тепло происходит на значительном удалении от одноатомарного острия, то есть там, где имеется много атомов, способных рассеять выделяющееся тепло по всему объему зонда.
Все эти обстоятельства и позволили создать простой настольный прибор, способный с помощью одного остро заточенного куска твердого тела определять атомарное строение поверхности другого, более или менее плоского образца.
Используя туннельный ток как индикатор приближения к поверхности и нарисовав несколько вариантов ее профилей, можно сложить из рисунков трехмерную картину исследуемой поверхности. Получаемое в сканирующих микроскопах изображение очень похоже на телевизионное – та же строчная развертка и покадровый режим. Только вместо яркости на картинках рисуется третья координата – высота поверхности.
Для получения такого рода профилограмм надо заставить иглу двигаться на некотором фиксированном расстоянии над поверхностью. В реальных приборах система автоматического регулирования высоты острия ориентируется на величину туннельного тока. Зонд, как крылатая ракета, летит на фиксированной высоте над поверхностью, ловко огибая «холмы» и ныряя в «овраги». Вот только системы управления у ракеты и зонда немного разные. И если первая совершает свой полет, маневрируя рулями высоты и поворота, то второй перемещается по своей траектории с помощью пьезокерамического привода. Выбор пьезокерамики в качестве материала для систем позиционирования в сканирующих зондовых микроскопах был далеко не случаен. Этот материал, изменяющий свои геометрические размеры под действием электрического поля, идеально подходит для манипулирования атомами. Пьезокерамические трубки и многослойные элементы обеспечивают жесткий крепеж иглы и окно сканирования размером в несколько десятков микрон.
Пьезокерамика практически не греется в процессе работы, и это обстоятельство существенно облегчает задачу борьбы с температурными деформациями самого прибора. Перемещение зонда зависит от приложенного напряжения, поэтому, ориентируясь на величину напряжения, можно определить координаты той точки, в которой находится зонд. Таким образом, получают трехмерное изображение исследуемой поверхности.
Для повышения точности позиционирования зонда в современные приборы стали встраивать емкостные датчики перемещения, за счет чего при окне обзора 100х100 мкм они позволяют исследовать атомарные объекты размером менее 1 нм.