Атомно-силовой микроскоп

Уже отмечалось, что сканирующие туннельные микроско­пы могут применяться только для изучения поверхности электро­проводящих материалов. Этот существенный недостаток методики стимулировал дальнейшие разработки, в результате чего уже в 1986 году одновременно в двух исследовательских центрах (в уже упоми­навшейся цюрихской лаборатории фирмы ИБМ и в Стэндфордском Университете США) был создан новый тип электронного микро­скопа, позволяющий изучать поверхность материалов-изоляторов. В этом устройстве, получившем название атомно-силового микроскопа (АСМ), используются измерения межатомных сил. В АСМ зонд прикреплён к концу плоской пружины (кронштейна) и его положение определяется величиной межатомных сил, возникающих между остриём зонда и атомами поверхности. Таким образом, в этом приборе измеряемой физической величиной (т.е. параметром) выступают непосредственно силы взаимодействия между атомами, величина которых определяется «шероховатостью» конкретного участка поверхности в точке измерения. Эти силы являются «отталкивающими» по характеру, а их величина может быть выражена в привычных единицах силы, т.е. ньютонах (естественно, в абсолютном значении эти силы соответствуют лишь наноньютонам, нН). В остальном, принцип действия атомно-силового микроскопа остаётся прежним, т.е. поверхность сканируется зондом (с тщательной регистрацией положения и контролем расстояния между зондом и образцом), после чего полученная информация переводится в изображение.

С какой точностью можно регистрировать расстояние зонд-поверхность в указанном устройстве? Поскольку фактически речь идёт просто об экспериментальном измерении положения пластины-кронштейна, можно использовать для измерений оптический лазер. Величина межатомных сил, возникающих между остриём зонда и атомами конкретного участка «шероховатой» поверхности, соответствует степени изгиба пластины-кронштейна, которую можно измерить с высокой точностью, регистрируя отражённый пластиной лазерный луч при помощи обычного оптического детектора (фотодиод), как показано на рисунке.

Кантилевер (cantilever) – консоль, кронштейн, одна из основных частей сканирующего зондового микроскопа.

Кантилевер – это всего лишь крошечная балка; толщина которой составляет от 0.1 до 5 мкм, ширина - от 10 до 40 мкм, а длина - от 100 до 200 мкм. С другой стороны, кантилевер является незаменимым помощником нанотехнолога. С его помощью можно «ощупать» поверхность и лежащие на ней отдельные молекулы, перемещать их, производить химические опыты со столь малыми количествами веществ, которые нельзя взвесить даже на самых точных лабораторных весах.

От длины, ширины, толщины, а также природы материала, из которого сделан кантилевер, зависит его жесткость. Чем кантилевер длиннее и тоньше – тем легче он гнется. Можно сделать такой мягкий кантилевер, что с его помощью возможно будет надавить на поверхность с силой в одну миллиардную долю ньютона. Это в тысячу раз меньше, чем сила, с которой пылинка давит на стол, на котором она лежит!

Такие маленькие силы нужны для сканирования поверхности, чтобы, например, можно было отличить лежащие на ней отдельные молекулы. На кончике кантилевера обычно расположена микроскопическая и очень острая иголка. Если бы кантилевер не мог хорошо гнуться, то при подводе его к поверхности с помощью системы нанопозиционирования, игла просто повредила бы поверхность, воткнувшись в нее. Но кантилевер всегда подбирают настолько мягким, чтобы при подводе к поверхности он мог изогнуться, а поверхность оставалась бы в целости и сохранности. Величина отклонения (или частота колебаний) кантилевера связаны с взаимодействием атомов или молекул на поверхности исследуемого образца. Кантилеверы также применяются для модификации поверхности. Используя жёсткие кантилеверы (и алмазные иглы) можно делать гравировку и проводить «наночеканку» – выдавливать на поверхности крошечные рисунки (наноинденторы).

Производство кантилеверов основано на использовании двух материалов – кремния и нитрида кремния. Острия для «атомно-силовой микроскопии» (АСМ) также изготавливают из кремния, нитрида кремния или алмаза, а также используют покрытия TiN, W₂C, Pt, Au, или магнитных материалов Fe-Ni/Cr, Co/Cr, CoSm/Cr. Чтобы сделать столь маленькие детали, используют процессы литографии, химического и физического травления. Для улучшения светоотражающих свойств обратную сторону зонда АСМ обычно покрывают алюминием или золотом с помощью термического напыления в вакууме. Кроме того, покрытие кантилевера пьезоэлектрической керамикой на основе цирконата-титаната свинца (Pb[Zr_xTi_1-x]O₃, ЦТС или PZT) позволяет управлять движением кантилевера, прикладывая к контактам разность потенциалов или непосредственно считывать частоту его свободных колебаний. Такие устройства находят сегодня широкое применение для разработки и создания «наноэлектромеханических систем», «систем нанопозиционирования», «наноактюаторов», «наносенсоров», «нановесов» и т.д.

АСМ позволяет получать изображение поверхности с очень высокой точностью (вплоть до ангстремов, 1 Å= 10^-10м), повышающей точность сканирующих туннельных микроскопов. Это объясняется тем, что в АСМ нет ограничений на близость острия зонда к исследуемой поверхности, так как АСМ применяют для изучения материалов-диэлектриков, в которых токи не возникают. Изобре­тение АСМ стало очень важной вехой в изучении атомарной струк­туры непроводящих материалов вообще.

Кроме этого, точность АСМ может быть повышена за счёт улуч­шения характеристик материала-кронштейна (плоской пружины). Возникающие в кронштейне слабые упругие напряжения регист­рируются с достаточно высокой точностью (около 1 нН), что соот­ветствует атомарному уровню разрешения для структуры. Инфор­мация о поверхности проводящих материалов, получаемая с помощью АСМ, может рассматриваться как дополнительная по отношению к результатам измерений сканирующим зондовым мик­роскопом, что создаёт дополнительные возможности для анализа и сравнения данных. В самое последнее время АСМ стали применять в экспериментах по измерению некоторых других характеристик поверхности (например, магнитных или электростатических сил, а также адсорбционных и иных параметров). В нижней части рисунка показано АСМ-изображение поверхности электрода, изготовлен­ного из арсенида галлия (GaAs). Расстояние между атомами в ре­шётке составляет около 0,4 нм, что вполне достаточно для их инди­видуальной идентификации.

Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (СОМБП)

История развития сканирующих оптических микроскопов ближнего поля (и связанных с ними сканирующих зондовых микро­скопов, вообще) является достаточно длительной, поскольку теоре­тически основной принцип их действия был разработан еще в 1928 году. Первые конструкции устройств таких типов были предложены в 1956 году, однако из-за технических сложностей (связанных, глав­ным образом, с использованием микроволновой техники с длинами волн ~ 3 см) практические испытания и эксперименты по методике ближнего поля были проведены лишь в 1972 году.

С 1981 года началась, образно говоря, «эпоха» бурною развития зондовых электронных микроскопов (СТМ, АСМ, СЗМ), что ещё на какое-то время отвлекло внимание от оптических микроскопов ближнего поля и задержало их развитие, однако позднее, в начале 90-х годов интерес к СОМБП возродился, что можно (по крайней мере, частично) связать с заметным прогрессом в технике изготовления и обработке оптических волокон. В 1992 году на СОМБП была получена пространственная разрешающая способность в 1/40 от длины волны света, а в настоящее время, применяя для «заострения» концов оптических волокон сложную технику травления, эту величину можно довести до 20 нм.

В СЗМ поверхность образца сканируется зондом. Такое сканирование нельзя осуществить оптическими микроскопами, поскольку разрешающая способность последних ограничена длиной волны видимого света (дифракционный предел) и не может быть выше нескольких сотен нм. Принцип работы СОМБП связан с тем, что на очень близких расстояниях от поверхности зеркала (т. е. на расстояниях много меньших длины волны падающего света) в области ближнего поля возникают так называемые «постоянно рождающиеся» (ever nas­cent) волны, обусловленные полным отражением света от облучае­мой поверхности.

Интенсивность такогоизлучения ближнего поля резко спадает с увеличением расстояния от поверхности, однако длина его волны при этом не изменяется. Такое излучение можно рассматривать и регистрировать в качестве независимого отражённого луча, пользу­ясь обычными приёмами (например, при помощи собирающей линзы и фотоэлектронногоумножителя). Метод позволяет скани­ровать поверхность образца, аналогично туннельному и атомно-силовому микроскопу, а его разрешающая способность при этом соответствует длинам «порождаемых» волн.

СОМБП позволяет получать оптическую информацию о строе­нии поверхности образца в нанометровом масштабе и поэтому представляется весьма перспективным для исследований и приме­нений в области оптических запоминающих устройств со сверхвы­сокой плотностью записи, а также для технологий оптической ми­крообработки поверхностей.

На рисунке представлена СОМБП-фотография, иллюстрирую­щая формирование 1 бита информации за счёт фазовых переходов в записывающей среде.