Перспективные задачи развития наноиндустрии
Исходя из современного уровня разработок в области нанотехнологий, перспектив фундаментальных научных исследований, можно сформулировать три основные задачи развития наноиндустрии.
На первом этапе стоит задача кардинального увеличения объемов производства уже выпускаемой и востребованной продукции нанотехнологий, насыщения соответствующих рынков в ближайшие три-четыре года.
В результате в течение указанного периода будет реализован комплекс социально-экономических целей:
создано значимое в масштабах экономики страны количество новых высокотехнологичных рабочих мест и увеличена капиталоемкость производства;
повышено качество медицинского обслуживания населения за счет широкого внедрения принципиально новых диагностических
средств (биочипы);
улучшена экологическая ситуация (повышено качество очистки и переработки отходов производства и снижено их количество, повышено качество питьевой воды за счет массового использования новых высокоэффективных мембран и мембранно-каталитических систем);
достигнуто значимое в масштабах экономики страны снижение
материало- и энергоемкости продукции отечественной
промышленности (массовое использование новых
наноструктурированных материалов, светодиодов).
Задача второго этапа - разработка и доведение до промышленного производства новых видов продукции нанотехнологий, которые должны появиться на рынке через три -пять лет.
Результатами реализации данной задачи наряду с расширением масштабов уже достигнутых социально-экономических целей, в частности, станут:
увеличение продолжительности и повышение качества жизни за счет внедрения принципиально новых видов медицинского обслуживания (системы адресной доставки лекарств, медицинские микроробототехнические системы, медицинские нано- и микросенсорные системы для телемедицины);
повышение уровня индивидуальной безопасности, безопасности объектов транспорта, объектов промышленного, общественного и бытового назначения за счет широкого использования принципиально новых нано- и микросенсорных систем дистанционного контроля и управления.
Задача третьего этапа - опережающее развитие принципиально новых направлений в области нанотехнологий, обеспечивающих создание в стране надотраслевой научно-образовательной и производственной среды в перспективе на ближайшие 10-20 лет. Главным содержанием этого этапа станут разработка и создание:
продукции нанобиотехнологий;
гибридных устройств и приборов бионического типа;
нанобиосистем и устройств, включая принципиально новые гибридные системы очувствления бионического типа;
биоробототехнических систем.
Реализация задачи третьего этапа приведет к созданию принципиально нового технологического базиса экономики в Российской Федерации.
Нанотехнологии: от идеи к практическому применению
Всеобъемлющий характер применения нанотехнологий свидетельствует о том, что масштабные нанопроекты носят межотраслевой характер и требуют применения новых организационных подходов для их реализации. Это обусловлено беспрецедентным разнообразием развиваемых направлений работ в рамках нанотехнологических программ, сложностью их эффективной координации, большим объемом выделяемых финансовых средств, а также ожидаемыми глобальными последствиями осуществления этих работ.
Основной проблемой является разрыв между высоким качеством осуществляемых исследований, созданных научно-технологических заделов в сфере нанотехнологий и критически низким уровнем инфраструктуры наноиндустрии в стране.
Для развития наноиндустрии необходимо создать современные кадровую, приборно-инструментальную, технологическую и информационную базы, добиться эффективной координации работ в этой области, ликвидировать избыточные экономические, институциональные и правовые барьеры, препятствующие развитию рынка нанопродукции и наноуслуг.
Основными инструментами государственной политики в сфере нанотехнологий должны стать:
программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года;
федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 - 2010 годы»;
иные федеральные целевые, региональные, отраслевые и ведомственные программы, предусматривающие финансирование разработок в сфере нанотехнологий и доведение их результатов до стадии промышленного производства.
Должна быть сформирована инфраструктура национальной нанотехнологической сети, обеспечивающей концентрацию ресурсов на приоритетных направлениях исследований и разработок, повышение эффективности работ и уровня их координации, создание благоприятных условий для ускоренного введения в хозяйственный оборот новой конкурентоспособной продукции нанотехнологий. В состав национальной нанотехнологической сети войдут:
национальный исследовательский центр нанотехнологий наносистем и наноматериалов на базе федерального государственной учреждения «Российский научный центр «Курчатовский институт» осуществляющий научную координацию деятельности по реализацш президентской инициативы «Стратегия развития наноиндустрии»;
российская корпорация нанотехнологий, решающая задачи организационной и финансовой поддержки инновационной деятельности в сфере нанотехнологий;
организации, осуществляющие финансирование проектов развития нанотехнологий, включая венчурные фонды;
научные, образовательные, проектные и промышленные центры и лаборатории, созданные на базе вузов, Российской академии наук I других научных организаций, предприятий и учреждений различны? форм собственности, осуществляющие исследования, разработки в сфере нанотехнологий и выпуск нанопродукции.
Особое внимание должно быть уделено созданию необходимых условий для организации эффективной деятельности национальной нанотехнологической сети, включающих в себя:
оснащение вузов, научных организаций и исследовательских центров современным научно-исследовательским, технологическим и учебным оборудованием, создание приборно-инструментальной базы передового уровня;
создание национальной информационно-аналитической системы, обеспечивающей подготовку и принятие управленческих решений в сфере нанотехнологий; эффективность определения и согласования приоритетов и областей ответственности исполнительных органов; согласование направлений международного научно-технического сотрудничества, тематики НИОКР; формирование единого реестра заказов, единого перечня квалифицированных исполнителей и областей их компетенции; обмен достигнутыми результатами; формирование высокоскоростной вычислительной сети;
совершенствование системы управления интеллектуальной собственностью (создание нормативно-правовой базы патентно-лицензионной деятельности, оформление исключительных прав, обеспечение мне создания организационно-правовых механизмов трансферта нанотехнологий);
разработка национальной системы стандартов и сертификации в сфере нанотехнологий и наноматериалов, гармонизированной с международной системой;
создание системы содействия продвижению продукции на внутренний и внешний рынок.
Основными задачами, которые предстоит решить в рамках национальной нанотехнологической системы, являются:
рост объема и результативности государственных и частных инвестиций в исследования, разработки и производственную деятельность, связанные с развитием и внедрением нанотехнологий;
формирование территориальных научно-производственных кластеров, обеспечивающих создание, производство и продвижение на рынок высоких технологий конкурентоспособной продукции наноиндустрии, с использованием механизмов государственно-частного партнерства;
разработка и внедрение эффективных механизмов коммерциализации результатов исследований и разработок в области наноиндустрии;
информирование общества о возможностях, перспективах и рисках, связанных с применением нанотехнологий;
создание системы оперативного мониторинга научно-технического, производственного и рыночного потенциала Российской Федерации в сфере нанотехнологий;
изучение и анализ ближайших, среднесрочных и стратегических перспектив развития мирового рынка нанотехнологий, исследований
и разработок, проводимых за рубежом;
организация эффективного международного сотрудничества, реализация совместных с иностранными государствами и частными корпорациями, финансирующими проведение работ, проектов в области развития и внедрения нанотехнологий, привлечение иностранных специалистов высокой квалификации к научной, педагогической и производственной деятельности, осуществляемой в рамках национальной нанотехнологической сети.
Формирование национальной нанотехнологической сети осуществляется в два этапа:
первый этап - 2007 - 2010 годы;
второй этап - 2011 - 2015 годы.
На первом этапе должны быть сформированы конкурентоспособный сектор исследований и разработок в области наноиндустрии и эффективная система коммерциализации объектов интеллектуальной собственности в сфере нанотехнологий.
На втором этапе должны быть созданы условия для масштабного наращивания объема производства продукции наноиндустрии и выхода профильных российских организаций на мировой рынок высоких технологий.»
Администрация США в 2000 г объявила “Национальную нанотехнологическую инициативу” (National Nanotechnology Initiative).
А в 2004 г администрация США поддержала “Национальную наномедицинскую инициативу” как часть National Nanotechnology Initiative.
В СССР в данном направлении работы начались в 1962 году задолго до появления термина «нано» и в 1972 году завершилась созданием промышленного производства углеродного нанокомпозита.
В 2007 году в России создан научный центр по наноматериалам при институте имени Курчатова, выделены необходимые финансовые средства для проведения исследований.
Важность нанотехнологии для развития науки и экономики в целом, можно определить по серьезности мировых инвестиций в нано таких стран, как: США (около 3,7 млрд. долларов в 2005 – 2008 гг.), Япония (3 млрд. долларов), страны Европы (1,7 млрд. долларов в 2002 – 2006 гг., до 7,5 млрд. долларов в 2007 – 2013 гг.), Китая (240 млн. долларов в 2003 – 2007 гг., местные инвестиции составляют более 360 млн. долларов), Бразилии (более 25 млн. долларов в 2004 – 2007 гг.), Индии (23 млн. долларов в 2004 – 2009 гг.), Африки (6 млн. долларов в 2005 г), Аргентине (10 млн. долларов в 2006 – 2011 гг.), Чили и Мексика финансируют, возможно, скромные, но перспективные нанопрограммы.
Нанонаука может выявить новые реальности в мировой науке текущего столетия: активная поддержка этих исследований со стороны правительств приведет к общему подъему уровня образования и профессионального уровня ученых и специалистов в развивающихся странах.
В 2000 г. в США принята приоритетная долгосрочная комплексная программа, названная «Национальной нанотехнологической инициативой» и рассматриваемая как эффективный инструмент, способный обеспечить лидерство США в первой половине текущего столетия. К настоящему времени бюджетное финансирование этой программы увеличилось по сравнению с 2000 г. в 2,5 раза и достигло в 2003 г. 710,9 млн долл., а на четыре года, начиная с 2005 г., планируется выделить еще 3,7 млрд долл. Аналогичные программы приняты Европейским союзом, Японией, Китаем, Бразилией и рядом других стран.
Этот сектор, вероятно, будет исключительно сферой развитых стран. Теперь стало ясно, что ряд и развивающихся стран приняли науку и технологию как практически важные составляющие своей стратегии экономического развития. Китай, например, выделяет в настоящее время приблизительно 1,1% от своего ВВП на науку и технологию. Бюджет Национального фонда поддержки естественных наук Китая взвился с 10 млн долларов в 1986 году до 300 млн долларов в 2003 году. Индия в настоящее время вкладывает около 1,2% от своего ВВП в науку и технологии, в основном в разработку и применение информационных технологий. Бразилия расходует 1,1% от ВВП на наукуи технологию и ежегодно «выпускает» ококло 7000 докторов философии в широкой области научных дисциплин.
Государственные расходы на развитие нанотехнологий в различных странах приведены на рис.1.
Рис. 1.
ЛЕКЦИЯ 3 (2 ч). Подготовка специалистов по нанотехнологиям.
Количество статей, затрагивающих проблематику наноматериалов и нанотехнологий в 1999-2000 гг. по данным Science Citation Index (США), приведено на диаграмме (рис. 2).
Рис. 2.
Примеры учебных курсов по нанонауке и нанотехнологии, предлагаемым некоторыми университетами и институтами США.
Название курса |
Организация |
Нанокурс
Курс нанотехнологии для студентов университетов.
Получение нанопроводников.
Перспективные квантовые устройства.
Нанотехнология.
Новые технологии.
Процессы с участием наночастиц.
Наноробототехника.
Химия и физика наноматериалов.
Сканирующая микроскопия и нанофизика.
Нанонаука и нанотехнология.
|
Корнеллский университет
Пенсильванский университет
Калифорнийский университет Лос-Анджелесс
Университет Норт-Дам
Вирджинский университет
Висконсинский университет
Йельский университет.
Южнокалифорнийский университет
Вашингтонский университет
Университет Клемсон
Университет Арканзаса
|
Направление: «Функциональные наноматериалы в авиационно-космических системах». Бакалавр и магистр. Содержание компентенций, анализ учебных планов и программ.
Подготовка специалистов по нанотехнологиям в вузах России (МГТУ, МИСИС, МФТИ и др.) Образовательный процесс по нанотехнологиям в Московском авиационном институте.
ЛЕКЦИЯ 4 (2 ч). Нанотехнологии – средство повышения ресурса и надежности авиационно-космических изделий.
Современные материалы и традиционные методы их создания уже не позволяют обеспечить требуемое для авиационно-космической промышленности и машиностроения их качество.
На рис. 3 показано разрушение и, вследствие этого, загорание двигателя авиалайнера, а на рис. 4 – уникальный снимок самолёта Боинг 737-200 на аэродроме после разрушения фюзеляжа. Подобные примеры, к сожалению, не единичны (приводятся другие примеры).
Рис. 3.
Рис. 4.
Проблема надежности и долговечности, упрочнения металла и причин его ослабления является основной в теоретическом и практическом металловедении является ключевой для материаловедения. Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.
Современные подходы, как уже отмечалось, по созданию новых материалов уже не позволяют обеспечить потребности в более надежных и ресурсных материалах промышленность и, прежде всего, аэрокосмическую отрасль, где основную роль играет весовой показатель, т.е. удельная прочность. Нанонаука сулит в этом вопросе настоящий прорыв (табл. 1).
Таблица 1. Прогноз удельной прочности.
Состояние на 2007 г. |
Состояние до 2015 г. |
Состояние до 2025 г. |
Состояние до 2040 г. |
Металлические и полимерные КМ |
Конструкционные материалы из многостенных нанотрубок |
Неориентированные структуры из одностенных нанотрубок |
Монокристаллические сеточные структуры из чистого углерода |
10 |
50 |
100 |
Более 500 |
МАМИ (Волков Г. М.)-разработана технология компактирования наночастиц.
Нанокомпозит превосходит свойства обычных углепластиков по:
1. Высокотемпературной химической стойкости-до 300 раз.
2. Коэффициент у катодного распыления в 15 раз.
3. Высокотемпературной удельной прочности, превосходит вольфрам до 5 раз.
ЛЕКЦИЯ 5 (2 ч.). Основные определения.
Нанонаука – исследование объектов и процессов с масштабами в несколько нанометров.
Нано - это одна миллиардная доля. Нанометр - это 10-9 метра. Человеческий волос приблизительно толще одной молекулы в шестьдесят тысяч раз, и его толщина составляет примерно 50 000 нанометров. А размер объектов, который различает глаз человека, составляет 10 000 нанометров.
Физические исследования показывают, что частицы с таким размерным диапазоном в реакциях с их участием проявляют т.н. размерные эффекты, если параметры их структурных элементов хотя бы по одному направлению соизмеримы (или меньше) с корреляционным радиусом того или иного химического или физического явления (например, с длиной свободного пробега электронов, фононов, длиной когерентности в сверхпроводнике, размерами магнитного домена или зародыша новой фазы и т.д.). Они характеризуются квантово-размерными эффектами, т.е. классические физические законы заменяются правилами квантовой механики. Удельная теплота, восприимчивость, проводимость и другие фундаментальные характеристики металла теряются, по крайней мере при низких температурах, когда частицы достигают размеров наношкалы. Кроме того, их специфика – немонотонная зависимость свойств, таких как температура плавления, давление, необходимое для перестройки кристаллической структуры, ионизационные потенциалы, энергии связи, отнесенные к одному атому металла, изменение межатомных расстояний, оптических и магнитных свойств, электронной проводимости, электрон-фононных взаимодействий и др. от величины кластера – числа атомов М в нем.
Нанотехнологии – это совокупность методов производства продуктов с заданной атомарной структурой путем манипулирования атомами и молекулами.
Наноматериаловедение отличается от традиционного не только созданием принципиально новых материалов, но и необходимостью конструирования приборного оснащения для работы с такими материалами. Сегодня, благодаря нанотехнологии, слово «нано» стало очень известным. Ввведя его в поисковых системах интернета вы найдете ссылки на 100 миллионов источников информации. Такое количество в значительной мере харктеризует коньюнктуру, а не уровень научных исследований. В настоящее время основное внимание уделяется нанотехнологии. И даже в серьезных работах, таких как десятитомная энциклопедия «Нанонаука и нанотехнология», изданной в США, главный упор делается на нанотехнологию. В научном плане выделились такие научные разделы как нанофизика, нанохимия, нанобиология, наномедицина.
Так как в нанометровом диапазоне процессы обусловлены взаимодействием небольшого (от единиц до десятков тысяч) числа атомов, то прежде всего мы должны рассмотреть их с позиций фундаментальных законов физики-законов сохранения: энергии (с учетом массы), импульса, момента импульса (с учетом спина) и электрического заряда.
Никаких экспериментальных фактов, которые бы свидетельствовали о нарушении этих законов, при более детальном изучении поведения атомов в этом диапазоне, не опубликовано.
Иначе обстоит дело со вторым началом термодинамики. Классическая и квантовая статистики имеют дело с большим числом частиц. В нанонауке число частиц ограничено буквально поштучно (наноконтакты, нанопроволочки, кластеры) и здесь необходим другой подход. В связи с тем, что квантовая механика оперирует статистическими понятиями, то этот вопрос приобретает чрезвычайно важное значение и будет рассмотрен отдельно.
Фейнман в своем выступлении высказал идею, что можно создать такие устройства, которые в свою очередь будут создавать устройства, способные работать с объектами все меньших и меньших размеров, вплоть до отдельного атома.
В то время уже существовали электронные микроскопы. Поэтому Фейнман считал, что новые микроскопы должны иметь чувствительность в сто раз выше. Новые устройства смогут перемещать атомы друг к другу, образуя атомные структуры. Такие микроскопы появились лишь через 30 лет.
Лекция 6 (2 ч.) Туннельный эффект и сканирующие микроскопы.
Туннельный эффект является принципиально квантовомеханическим эффектом, не имеющим аналога в классической физике, и потому представляет огромный интерес. Он основан на корпускулярно - волновом дуализме - двойственной природе элементарных частиц (рис. 5).
Рис. 5.
С точки зрения классической механики, очевидно, что никакое материальное тело, имеющее энергию E, не может преодолеть потенциальный барьер высотой V0 , если V0>E. Например, если принять за материальное тело мяч, а за потенциальный барьер – очень высокий бетонный забор, то понятно, что если кинуть мяч в сторону забора недостаточно высоко – так, что его энергии не хватит на перелет стоящего перед ним барьера, то он, ударившись о преграду, отскочит назад. Однако если в качестве материального тела рассмотреть электрон, то оказывается, что даже если высота потенциально го барьера выше, чем собственная энергия электрона, то он с определенной вероятностью может оказаться с другой стороны барьера, лишь незначительно изменив свою энергию, как если бы в “заборе” оказалась некая “дырка” или туннель. Это является следствием того, что электрону присущи как корпускулярные, так и волновые свойства. Будь электрон классической частицей, обладающей энергией E, он, встретив на своем пути преграду, требующую для преодоления большей энергии, должен был бы отразиться от этой преграды. Однако, будучи одновременно и волной, он проходит сквозь эту преграду, подобно тому, как рентгеновские волны свободно проходят сквозь материальные объекты.
Классическая частица, обладающая полной энергией E и находящаяся в потенциальном поле, может пребывать лишь в тех областях пространства, в которых ее полная энергия не превышает потенциальную энергию U взаимодействия с полем. Поскольку волновая функция квантовой частицы отлична от нуля во всем пространстве и вероятность нахождения частицы в определенной области пространства задается квадратом модуля волновой функции, то и в запрещенных (с точки зрения классической механики) областях волновая функция отлична от нуля.
Таким образом, над поверхностью любого проводника или полупроводника всегда наблюдается некоторое количество свободных электронов, “вышедших” за его пределы не в результате термоэлектронной эмиссии, а благодаря туннельному эффекту. Если взять два проводящих вещества, расположить их на расстоянии 0,5 нм друг от друга и приложить к ним сравнительно малую разность потенциалов (0,1_1 В), то между ними возникнет электрический ток, обусловленный туннельным эффектом, который называется туннельным током.
Если повторить тот же опыт, но к поверхности интересующего тела поднести острый предмет, например, очень тонкую иглу с кончиком в атом толщиной, то, проводя ею над изучаемым объектом (сканируя его поверхность) можно получать ин формацию о строении объекта на атомном уровне.
В туннельном сканирующем микроскопе система пьезокристаллов, управляемая компьютером, обеспечивает трехкоординатное перемещение металлического зонда на расстоянии порядка 0,1 HM от исследуемой поверхности. Между ней и зондом прикладывают напряжение около 1 В и регистрируют возникающий туннельный ток. Компьютер управляет вертикальным перемещением зонда так, чтобы ток поддерживался на заданном постоянном уровне, и горизонтальными перемещениями по осям c и у (сканированием). Воспроизводимое на дисплее семейство кривых, отвечающих перемещениям зонда, является изображением эквипотенциальной поверхности, поэтому атомы изображаются полусферами различных радиусов.
Достоинства метода сканирующей микроскопии: сверхвысокое разрешение (атомного порядка, 10-2 нм); возможность размещать образец не в вакууме (как в электронных микроскопах), а в обычной воздушной среде при атмосферном давлении, в атмосфере инертного газа и даже в жидкости, что особенно важно для изучения гелеобразных и макромолекулярных структур (белков, ДНК, РНК, вирусов).
Сканирующий зондовый микроскоп
Наиболее молодое и вместе с тем перспективное направление в исследовании свойств поверхности — сканирующая зондовая микроскопия. Зондовые микроскопы имеют рекордное разрешение — менее 0,1 нм Они могут измерить взаимодействие между поверхностью и сканирующим ее микроскопическим острием — зондом — и выводят трехмерное изображение на экран компьютера.
Методы зондовой микроскопии позволяют не только видеть атомы и молекулы, но и воздействовать на них. При этом — что особенно важно — объекты могут изучаться не обязательно в вакууме (что обычно для электронных микроскопов), но и в различных газах и жидкостях.
Изобрели зондовый — сканирующий туннельный микроскоп в 1981 году сотрудники Исследовательского центра фирмы ИБМ Г. Биннинг и X. Рорер (США) Через пять лет за это изобретение они были удостоены Нобелевской премии.
Биннинг и Рорер попытались сконструировать прибор для исследования участков поверхности размером менее 10 нм. Итог превзошел самые смелые ожидания: ученым удалось увидеть отдельные атомы, размер которых в поперечнике составляет лишь около одного нм. Очень тонкое металлическое острие — отрицательно заряженный зонд — подводится на близкое расстояние к образцу, тоже металлическому, заряженному положительно. В тот момент, когда'расстояние между ними достигнет несколько межатомных расстояний, электроны начнут свободно проходить через него — "туннелировать": через зазор потечет ток
Важное значение для работы микроскопа имеет резкая зависимость силы туннельного тока от расстояния между острием и поверхностью образца. При уменьшении зазора всего на 0,1 нм ток возрастет примерно в 10 раз. Поэтому даже неровности размером с атом вызывают заметные колебания величины тока.
Чтобы получить изображение, зонд сканирует поверхность, а электронная система считывает величину тока. В зависимости от того, как эта величина меняется, острие либо опускается или поднимается. Таким образом, система поддерживает величину тока постоянной, а траектория движения острия повторяет рельеф поверхности, огибая возвышенности и углубления (рис. 6).
Острие перемещает пьезосканер, который представляет собой манипулятор из материала, способного изменяться под действием электрического напряжения. Пьезосканер чаще всего имеет форму трубки с несколькими электродами, которая удлиняется или изгибается, перемещая зонд по разным направлениям с точностью до тысячных долей нанометра
Информация о движении острия преобразуется в изображение поверхности, которое строится по точкам на экране. Участки разной высоты для наглядности окрашиваются в различные цвета.
В идеале на конце острия зонда должен находиться один неподвижный атом. Если же на конце иглы случайно оказалось несколько выступов, изображение может двоиться, троиться. Для устранения дефекта иглу травят в кислоте, придавая ей нужную форму.
Схема работы сканирующего туннельного микроскопа
Рис. 6.
Рабочим органом СТМ — зондом — служит токопроводящая металлическая игла. Зонд подводится к изучаемой поверхности на очень близкое расстояние (~0,5 нм) и при подаче на зонд постоянного напряжения между ними возникает туннельный ток.
Острие перемещает пьезосканер, который представляет собой манипулятор из материала, способного изменяться под действием электрического напряжения. Пьезосканер чаще всего имеет форму трубки с несколькими электродами, которая удлиняется или изгибается, перемещая зонд по разным направлениям с точностью до тысячных долей нанометра.
При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой, равной средней работе выхода материалов:
Как известно из квантовой механики, вероятность туннелирования электрона (коэффициент прохождения) через одномерный барьер прямоугольной формы равна
где A0 - амплитуда волновой функции электрона, движущегося к барьеру; At -амплитуда волновой функции электрона, прошедшего сквозь барьер; k – константа затухания волновой функции в области, соответствующей потенциальному барьеру; ΔZ - ширина барьера. Для туннельного контакта двух металлов константу затухания можно представить в виде
где m - масса электрона, ϕ * - средняя работа выхода электрона, h – постоянная Планка. При приложении к туннельному контакту разности потенциалов V между зондом и образцом появляется туннельный ток.
Информация о движении острия преобразуется в изображение поверхности, которое строится по точкам на экране. Участки разной высоты для наглядности окрашиваются в различные цвета.
В идеале на конце острия зонда должен находиться один неподвижный атом. Если же на конце иглы случайно оказалось несколько выступов, изображение может двоиться, троиться. Для устранения дефекта иглу травят в кислоте, придавая ей нужную форму.
Более подробно формирование изображения с помощью сканирующего туннельного микроскопа приведено на рис. 7.
Рис.7 . Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния (б)
При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности по методу постоянной высоты Z = const. В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (рис. 7 (б)). Сканирование производится либо при отключенной обратной связью (ОС), либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени. Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающий над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.
Рис. 8. Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе
С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до атомарного, что продемонстрировано многими исследовательскими группами на образцах из различных материалов.
С помощью туннельного микроскопа удалось сделать ряд открытий. Например, обнаружили, что атомы на поверхности кристалла расположены не так, как внутри, и часто образуют сложные структуры.
С помощью туннельного микроскопа можно изучать лишь проводящие ток объекты. Однако он позволяет наблюдать и тонкие диэлектрики в виде пленки, когда их помещают на поверхность проводящего материала. И хотя этот эффект еще не нашел полного объяснения, тем не менее его с успехом применяют для изучения многих органических пленок и биологических объектов — белков, вирусов.
Возможности микроскопа велики. С помощью иглы микроскопа даже наносят рисунки на металлические пластины. Для этого используют в качестве "пишущего" материала отдельные атомы — их осаждают на поверхность или удаляют с нее. Таким образом, в 1991 году сотрудники фирмы ИБМ написали атомами ксенона на поверхности никелевой пластины название своей фирмы — IBM. Букву "I" составили всего 9 атомов, а буквы "В" и "М" — 13 атомов каждую.
Атомно-силовые микроскопы (ACM)
Сканирование в контакте с образцом довольно часто приводит к его деформации и разрушению. Воздействие зонда на поверхность может быть полезным, например, при изготовлении микросхем. Однако зонд способен легко порвать тонкую полимерную пленку или повредить бактерию, вызвав ее гибель. Чтобы избежать этого, кантилевер приводят в резонансные колебания вблизи поверхности и регистрируют изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний, вызванных взаимодействием с поверхностью. Такой метод позволяет изучать живые микробы колеблющаяся игла действует на бактерию, как легкий массаж, не причиняя вреда и позволяя наблюдать за ее движением, ростом и делением
В 1987 году И. Мартин и К. Викрамасингх (США) предложили в качестве зондирующего острия использовать намагниченную микроиглу. В результате появился магнитно-силовой микроскоп.
Такой микроскоп позволяет разглядеть отдельные магнитные области в материале — домены — размером до 10 нм. Его также применяют и для сверхплотной записи информации, формируя на поверхности пленки домены с помощью полей иглы и постоянного магнита. Подобная запись в сотни раз плотнее, чем на современных магнитных и оптических дисках.
На самом деле, туннельный микроскоп, в отличие от привычного оптического, не дает в прямом смысле увеличенное изображение объекта. Удивительная трехмерная картинка с атомами – всего лишь интерпретация результатов взаимодействия иглы и поверхности образца, график, показывающий, как меняется ток при движении иглы параллельно поверхности.
На рис. 7 показано изображение, полученные в СТМ.
Рис. 7.
СТМ имеет одно существенное ограничение: объект исследования должен быть проводящим – металл или полупроводник, иначе не будет туннельного тока. Получается, что в туннельный микроскоп нельзя «рассмотреть» ни один изолятор, например алмаз. Пока осваивали туннельный метод, появилась новая идея: в 1986 году Биннинг предложил вариант микроскопа, названного атомно-силовым.