Технологические применения зондовой микроскопии

Вначале СТ и АС микроскопия использовались для решения различных физических, химических и биологических проблем. Сейчас все большую роль играет технологическое воздействие на поверхность для создания элементов наноэлектроники, запоминающих устройств с терабитным объемом памяти. С помощь сканирующего микроскопа можно воздействовать в наномасштабе на поверхность: царапать ее, осуществлять нанолитографию (рис. 1.12, рис. 2 на цветной вклейке).

Локальные электрические поля под зондом сравнимы по величине с внутримолекулярными и атомами, под их влиянием возникают сверхплотные локальные потоки тепла, идут химические реакции. В ближайшие 10 лет ожидается резкий прорыв зондовы технологий.

Сканирующие зондовые микроскопы широко и пользуются для текущего, неразрушающего контроля различных технических изделий, таких как CD и DVD их помощью, в частности, можно по мельчайшим дефектам компакт-диска определить начальную матриц и выяснить, не является ли она «пиратской». Можно восстановить предыдущую запись, если она не стерта специальным устройством.

О дин из путей увеличения производительности зондовых технологий - создание многозондовых матричных устройств, например «многоножка» (Millipede). Многозондовое нанотехнологическое оборудование должно предусматривать разнообразное воздействие на поверхность т. е. набор различных по функции зондов и соответствующее программное обеспечение.

Т

Рис. 1.11. Петроглиф племени навахо, полученный с помощью зонда АСМ на титановой пленке

аким образом, сканирующие зондовые микроскопы из уникальных научных приборов превратились в широко используемое орудие Hi-Tec-технологий.

В России современные сканирующие микроскопы нанотехнологические комплексы производятся в Зеленограде фирмой «NT-MDT», успешно конкурирующей на мировом рынке с другими производителями. Изображения микроскопов, дополнительный материал по сканирующей микроскопии и скан-галерею можно найти на сайте «NT-MDT», а также в статье [14*].

Лекция: Нанокластеры, квантовые точки

Кластеры и особенности их свойств

Кластерами называют нанообъекты, состоящие из сравнительно небольшого числа атомов или молекул, т единиц до сотен тысяч. Кластеры имеют наноразмеры по трем направлениям.

В макроскопических образцах одни физические характеристики твердых тел и жидкостей не зависят от объема (строение, температура, плавления и кипения, удельное электрическое сопротивление и др.), другие Пропорциональны ему (например, масса, теплоем­кость). Свойства макрообъектов, возникающие при большом скоплении атомов и молекул, не просто суммируются из свойств отдельных частиц, а определяются также их коллективным взаимодействием. При небольшом числе атомов, образующих частицу-кластер, свойства ее формируются по-иному. Выяснилось, например, что кластер плавится при существенно более низкой температуре, чем массивное твердое тело, и точки плавления не совпадает с точкой кристаллизации. В некоторых условиях кластеры могут иметь отрица­тельную теплоемкость: при сообщении некоторого количества теплоты их температура падает за счет перестройки структуры. Кластеры одного и того же металла в зависимости от размеров могут быть диэлектриками, Полупроводниками, проводниками.

Особенности физических и химических свойств кластеров обусловлены прежде всего тем, что в них возрастает роль поверхностных атомов. Для небольших Кластеров практически все атомы оказываются поверхностными, чем объясняется их повышенная химическая активность. Но отличие может быть не только количественным. Например, химическая реакция с одним и тем же реагентом может дать разный результат для обычного металлического порошка и для нанокластеров металла.

Другая общая особенность кластеров, связанная с их размером, упоминалась ранее. Размеры кластеров часто оказываются меньше длин волн, определяющих некоторые коллективные взаимодействия атомов и соответствующие физические свойства, например характер намагниченности или проводимость. В то же время размеры макроскопических тел на много порядков больше этих длин волн, поэтому их физические свойства от размеров не зависят.

Изучение кластеров помогает понять, как формируются свойства макроскопических тел, сколько частиц должно объединиться, чтобы их ансамбль обладал свойствами макроскопических образцов. Физические свойства кластера часто резко зависят от числа атомов в нем, поэтому некоторые исследователи аллегорически называют это число третьей координатой таблицы Менделеева. Верхней границей размеров кластера является такое число атомов, при котором дальнейшее добавление уже не меняет его физических и химических свойств, и кластер можно рассматривать как нанокристаллик. Обычно число атомов в нем достигает нескольких тысяч.

Малые размеры нанокластеров позволяют управлять их физическими свойствами при малых воздействиях. Так, молекулярный оксидно-металлический кластер, размеры которого в 10 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса, может оказаться основой молекулярной памяти. Для такой частицы добавление всего одного электрона уже заметно изменяет его физические свойства (электропроводность, электроемкость).

Использование нанокластеров осложняется их активным тепловым движением: малые размеры делают возможными заметные перестройки их структуры. На рисунке 2.1 изображены разные стадии «танца» нанокластера из 4 атомов цезия и 4 атомов йода в компьютерной редакции (моделировании) реально проведенного уникального эксперимента. Кластер принимает форму куба, кольца, ступеньки лестницы и все промежуточные формы. Все эти превращения осуществляются за счет внутренней энергии хаотического движения ионов, составляющих кластер.

Рис. 2.1. Изменения конфигурации восьмиатомного кластера цезий-йод в процессе теплового движения [10]