Асм и его возможности

В 1986 г. Г. Биннинг с сотрудниками создал атомно-силовой микроскоп (АСМ), обладающий рядом преимуществ по сравнению с СТМ. В отличие от СТМ, пригодного для исследования только проводящей поверхности ГИ в условиях вакуума, АСМ позволил изучать поверхность диэлектрика не только в атмосфере, но и в любом газе, и даже покрытую слоем жидкости. Открылась возможность исследовать такие природные нанообъекты, как вирусы и гены. Специальные методы позволяют изучать даже жидкости и отдельные капли. Действие АСМ основано на измерении не туннельного тока, а силы взаимодействия между атомами зонда и атомами поверхности.

Контактный

Безонтактный

Рис. 1.6. Области энергии взаимодействия зонда АСМ с поверхностью при двух режимах работы (U — энергия взаимодействия, г - расстояние между зондом и поверхностью образца)

В

Рис. 1.7. Электронномикроскопические снимки кремниевого кантилевера при разных увеличениях

Рис. 1.8. Схема смещения луча лазера, отраженного от зеркальца кантилевера, при наклоне последнего во время движения по рельефу поверхности

озможны два режима работы АСМ: 1) контактный, когда зонд прижимается к образцу и его отклоне­ние вызвано силами отталкивания между атомами острия зонда и поверхности; 2) более щадящий для объекта исследования бесконтактный режим, когда рас­стояние между зондом и образцом составляет 5 - 10 нм и фиксируются силы притяжения. Общий вид зависимости энергии взаимодействия U двух атомов от Расстояния г между ними представлен на рисунке 1.6. Слева от точки r₀ превалируют силы отталкивания, справа - силы притяжения. Таким образом, при первом режиме работы АСМ взаимодействие зонда с поверхностью соответствует левой части кривой U(r), при втором - правой части.

Важной деталью АСМ и других сканирующих микроскопов является кантилевер (от англ. cantilever - балка). Он представляет собой чип - пластинку из легированного кремния миллиметровых размеров, из торца которой торчит балочка, заканчивающаяся собственно зондом, предельно тонким (рис. 1.7). В качестве зонда может использоваться углеродная нанотрубка.

Смещения кантилевера определяются по отклонению луча полупроводникового лазера, который падает на самый кончик кантилевера, покрытый алюминиевым напылением-зеркальцем. Отклонения луча фиксируются многосекционным фотодиодом (рис. 1.8).

В электронную схему микроскопа входит специальная система обратной связи, которая связана с системой отключения кантилевера и обеспечивает заданный режим сканирования. Работа всех сканирующих микроскопов управляется компьютером, также компьютеры обработке подвергаются результаты сканирования специальной программе, позволяющей получить изображение поверхности.

Идея зондовой микроскопии оказалась очень плодотворной. Появились сканирующие микроскопы, фиксирующие локальные магнитные поля на поверхности локальные тепловые, электрические поля и пр. Активно развивается оптическая сканирующая микроскопия ближнего поля, которая позволила преодолеть дифракционный предел в оптике. За сравнительно короткое период времени метод зондовой микроскопии став одним из самых востребованных в области не только в физики и химии, но также медицины и биология (рис. 1.9).

Д ля регистрации магнитных или электрический полей вблизи исследуемой поверхности предварительным сканированием исследуется рельеф поверхности точным замером высоты неровностей. После этого зонд; чувствительный к данному полю, программно проходит на заданном расстоянии над поверхностью по уже известному рельефу. Если отклонений кантилевера не наблюдается, значит, дополнительных неоднородных силовых полей нет, в противном случае их можно зафиксировать, используя специальный кантилен вер. Так, для определения магнитных полей поверхность кантилевера покрывается тонким (порядка 10² нм) ферромагнитным материалом. На рисунке 3 на цветной вклейке приведена доменная структура кристалла никеля при двух разных температурах.

В

Рис. 1.9. Изображение кишечной палочки, полученной с помощью АСМ [8]

оптическом микроскопе ближнего поля зондом служит оптоволокно, остро отточенное до радиуса кривизны 10 нм. С его помощью определяют оптические свойства поверхности, например, люминесценцию.

П

Рис. 1.10. Надпись «IBM» образована 35 атомами ксенона на поверхности кристалла никеля с помощью сканирующего туннельного микроскопа сотрудником фирмы «IBM» Дональдом Эйглером [11]

о словам исследователей-биологов, визуализация ДНК, отдельных вирусов, белков, определение структуры и свойств клеточных мембран из категории экспериментального искусства превращаются в рутинные.

С развитием Интернета появилась возможность дистанционной работы на некоторых микроскопах коллективного пользования. На них выделяется время для работы не только исследователям, но и школьникам.

Зондовую сканирующую микроскопию называют «глазами и пальцами» нанотехнологии, потому что с ее помощью можно не только наблюдать отдельные атомы и перемещать их (см. рис. 1 на цветной вклейке). За счет приложенного к зонду электрического напряжения отдельные атомы можно «выдергивать» из поверхностного слоя, переносить в другое место и, меняя полярность, снова возвращать в поверхностный слой в нужную точку. Впервые это продемонстрировали сотрудники «IBM», выложившие название фирмы 35 атомами ксенона на поверхности никеля (рис. 1.10). Таким образом, предположение Р. Феймана о возможности манипуляции отдельными атомами подтвердилось меньше чем через 30 лет.