Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии без тайн (Уильямс), 2010, c.362

ГЛАВА 4 Наноинструменты

СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП

Первым прототипом СЗМ был сканирующий туннельный микро скоп (СТМ), изобретенный в 1981 г. Гердом Биннигом и Хайнри хом Рорером в лаборатории компании IBM в Цюрихе (Швейцария).

В этом революционном изобретении используется система «образец– игла», к которой приложена разность потенциалов. Электроны из образца туннелируют на иглу и создают туннельный электрический

ток, который можно точно измерить. В 1986 г. Герд Бинниг и Хайн

рих Рорер получили Нобелевскую премию по физике «За изобрете ние сканирующего туннельного микроскопа».

В зависимости от способа использования иглы можно получать разную информацию. В простейшем случае поверхность образца ска

нируется на постоянном расстоянии, например 0,2 нм, а игла при

поднимается или опускается для поддержания постоянного тока, что означает одинаковое расстояние между иглой и поверхностью. На рисунке 4.2 показана схема вольфрамовой иглы.

Рис. 4.2. Схема вольфрамовой иглы для сканирующего туннельного микроскопа

ЧАСТЬ I Открытие

При перемещениях иглы вверх или вниз относительно поверх ности для поддержания одинакового туннельного тока становится

возможной фиксация топографии (рельефа) поверхности. Для су ществования туннельного тока образец должен быть проводником. Изоляторы, например резина, не проводят электрический ток, и их

нельзя изучать таким способом, если не покрыть тонким проводя

щим слоем.

Игла обычно очень острая, и ее кончик может содержать всего

несколько атомов. Именно благодаря этой «остроте» удается уста новить положение отдельных атомов с точностью до 0,2 нм. С по мощью этой иглы можно также вызывать определенные химические реакции или создавать ионы, выдергивая отдельные электроны из

ГЛАВА 4 Наноинструменты

Рис. 4.3. Однослойная углеродная нанотрубка может существенно увеличить точность АСМ

ЧАСТЬ I Открытие

МУЛЬТИФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МИКРОСКОПЫ

С середины XIX в. теоретический предел максимальной разре шающей способности оптических приборов из за дифракции (рас сеяния) ограничивался величиной, приблизительно равной половине

длины волны видимого света (0,5 мкм или 500 нм). Изобретение и развитие СЗМ в 1980 х гг. на три порядка улучшило разрешающую способность. Однако их возможности ограничиваются также физи

ческими законами.

Дифракция — это явление, которое наблюдается при распространении электромагнитной волны иначе, чем предписывают законы геометрической оптики. В современной науке с дифракцией связывают широкий круг явлений, возникающих при распространении волн в неоднородных средах.

Изображения, полученные с помощью СЗМ, подчиняются зако

нам квантовой механики и зависят от условий прохождения тун

нельного тока. АСМ обладает более широкими возможностями, по скольку способен зарегистрировать силовое взаимодействие между зондом и поверхностью в широком диапазоне, например, вследствие трения, магнитного и электростатического взаимодействия, отталки

вания ядер атомов и химического связывания.

Дифракция света ограничивает разрешающую способность совре менных оптических микроскопов, но ученые все же придумали, как обойти это ограничение. В близкопольном сканирующем оптическом микроскопе (near field scanning optical microscope), или БПСОМ

(NSOM), изображение со сверхвысоким разрешением можно полу

чить путем регистрации излучения, проходящего при сканировании

ЧАСТЬ I Открытие

может измерять локальные свойства и форму нанообъектов с помо щью сверхмалого и сверхтонкого зонда.

Новые сканирующие зонды способны не только определить топо графию поверхности, но и представить информацию о других свой

ствах изучаемого объекта, которые кратко перечислены ниже:

электронную структуру при низких температурах можно

исследовать, например, с помощью сканирующей электронной спектроскопии;

оптические свойства изучают при помощи близкопольной ска нирующей оптической спектроскопии, которая способна анали

зировать отдельные фрагменты волны в масштабах 50–100 нм;

температуру измеряют с помощью сканирующей термальной спектроскопии, в которой термочувствительный зонд исполь зуется для создания карты температурных полей электронных и оптических наноустройств и измерения термальных свойств

наночастиц;

диэлектрические константы измеряют с помощью скани рующей микроскопии с сохранением заряда для исследования свойств полупроводниковых наноустройств;

структура биологических молекул исследуется для опреде

ления сложной наномеханики отдельных внутримолекулярных

процессов (прежде поведение таких биологических систем мож но было изучать только за счет усреднения поведения большо го количества биологических молекул);

химические свойства предоставляют информацию об особен

ностях физических, химических и биологических процессов на

наномасштабном уровне.

ЧАСТЬ I Открытие

Наноинструменты

Ученые стремятся найти новые области применения нанотехно логий (от компьютеров до лекарств против рака) и одновременно используют более сложные инструменты (СЭМ, СПМ, СЭМ и т. п.) для исследования свойств наноструктур. Они применяют эти ин струменты для изучения, моделирования и создания новых нанома териалов. Инструменты делятся на три категории: инспекционные инструменты для исследования, инструменты моделирования для предсказания характеристик и производственные инструменты для

изготовления наночастиц и наноматериалов. Все они играют огром

ную роль в новых областях исследований и приложениях нанотехно логий. В главе 12 более подробно описываются коммерческие аспек ты использования наноинструментов.

Теория и компьютерное моделирование

Наибольший прогресс в теории и компьютерном моделировании

нанотехнологий связан с появлением и развитием новых теорий, алгоритмов, программного и аппаратного обеспечения компьюте ров. Развитие и слияние разных методов компьютерного модели рования (например, квантовой химии и молекулярной динамики)

позволяет с высокой достоверностью и надежностью выполнять

компьютерное моделирование наномасштабных структур и мате риалов.

Несмотря на огромную сложность моделирования наномасштаб ных систем из за большого числа неизвестных величин в наномас штабе, ученым удалось добиться значительных успехов:

сократить время проектирования новых материалов;

создать новые наномасштабные устройства на основе новых ма

териалов (например, углеродные нанотрубки);

увеличить надежность и предсказуемость работы нано устройств;

спроектировать и оптимизировать новые нанотехнологии. Теория и компьютерное моделирование используются для усовер

шенствования экспериментальных методов измерения наноструктур. Их удобно применять для имитации работы сложных биологических

систем, например клеток, в будущих нанотехнологических прило жениях. Действительно, многие современные нанотехнологические

устройства были созданы на основе понимания принципов работы

80 естественных наносистем и белков.

ГЛАВА 4 Наноинструменты

Но все это произошло не в одночасье, а в результате многолетних

исследований. Например, для изучения электрических, магнитных, химических и термодинамических свойств наноструктур потребова лось создать методы компьютерного моделирования с учетом кван товой природы процессов на наномасштабном уровне. Прежде чем начать дорогостоящее производство наноструктур, ученым и инжене

рам следует перебрать и проанализировать тысячи альтернативных

вариантов. Для этого как нельзя лучше подходит теория и компью терное моделирование.

ПЕРЕХОД К НАНОМАСШТАБУ

Для применения на практике работу наномасштабных устройств необходимо моделировать в более крупном окружении. Такое моде

лирование должно включать несколько уровней других масштабов —

от молекул к наноуровню, микроскопическому и макроскопическому уровню. При этом нельзя фокусироваться только на каком то одном уровне. Наномасштабные устройства нужно моделировать в контек сте всего их окружения. В электронике моделирование выполняется

согласно следующей схеме возрастающей сложности:

материал устройство электросхема система архитектура.

Для успешного перехода к моделированию в наномасштабе боль

шое значение имеют новые методы соединения уровней разных мас штабов. Улучшенные теоретические модели позволят моделировать поведение электронных устройств в целом, а не по отдельности. Успех работы инженеров будет зависеть от успешного взаимодей ствия разных частей и функций готового устройства.

ТРУДНОСТИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Для успешного создания наномасштабных структур необходимо использовать такие методы компьютерного моделирования, которые

позволят адекватно воспроизвести процессы на нескольких уровнях. Для имитации поведения сложных биологических молекул необхо

димо придумать новые методы оптимизации сложных структур, ко торые смогут привести к предсказуемой самосборке наноструктур, например сворачивания (или фолдинга) белка.

Сворачивание (или фолдинг) белка — это процесс спонтанного сворачивания полипептидной цепочки белковых молекул в более крупные и сложные струк-

ЧАСТЬ I Открытие

Эти методы должны быть совместимы и доступны для широкого

круга специалистов, чтобы обеспечить общую эффективность работы проектируемого наноустройства. Полученные результаты компью терного моделирования должны иметь необходимую надежность и точность, а также согласовываться с числовыми расчетами и тео ретическими оценками. В настоящее время для этого созданы и ис

пользуются среды коллективного поиска решения и совместные базы

данных. Благодаря им ученые из географически удаленных органи заций могут совместно работать над одной проблемой.

С развитием компьютерных технологий появляются новые мощ ные инструменты исследования нанотехнологий. Параллельные ком

пьютеры и методы параллельного вычисления значительно расши

ряют возможности моделирования наноструктур и решения многих задач нанотехнологий.

ПАРАМЕТРЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Ученые научились синтезировать и анализировать наномасштаб ные структуры, а также манипулировать ими. Помимо широкого

круга фундаментальных и прикладных результатов с их работой

связано появление множества новых сложных вопросов. Для ин терпретации экспериментальных результатов, полученных на на номасштабном уровне, необходимо создать математическую модель взаимодействия между измерительным инструментом и изучаемым

объектом. В таблице 4.1 перечислены только некоторые составные

части (компоненты, понятия, свойства, параметры) математических моделей, которые необходимо учитывать при компьютерном модели

ровании наноструктур.

Таблица 4.1. Составные части математических моделей наноструктур