Интерлюдия вторая – инструменты нанонауки.
"В году 2000, когда они оглянутся на этот век, они удивятся, почему до года 1960 никто серьезно не продвигался в этом направлении" (рис. 4.1). Так сказал нобелевский лауреат, физик Ричард Фейнман в 1960 году о широко обсуждаемой зарождающейся нанотехнологии, но даже его прогноз был немного преждевременен. В то время, когда миниатюризация продолжала развиваться с головокружительной быстротой, машины сокращались, по одному шагу проходя тот путь, который сейчас мы называем очень долгим нисходящим нанопроизводством. Никто не может мгновенно принять вызов и начать думать снизу вверх, и так было до 2000 года (как со сверхъестественной точностью предсказал Фейнман), когда устройства стали разбиваться на наноскопические структуры, и люди начали спрашивать: "Почему об этом никто не подумал раньше?".
Причина проста. Не было необходимых инструментов. Ни одна из технологий производства, позволяющих создавать миниатюрные устройства - микроскопические токарные станки, установки для травления, оборудование для литографии в видимом свете, - не работает в наномире. Мы не только не можем манипулировать отдельными атомами и молекулами, мы не можем даже видеть их без электронных и атомных микроскопов.
Причина, по которой нанотехнологии поднялись на поверхность в наше время, заключается в том, что возникли инструменты, позволяющие видеть, измерять и манипулировать веществом на наноскопическом уровне. Они все еще грубые и технологии их получения неоптимальные, но ситуация быстро меняется. Ученый из Вашингтона может теперь используя только Internet-соединение с лабораторией в Сан-Хосе (Калифорния), переместить отдельный атом на платформе в удаленной лаборатории. Технология продолжает совершенствоваться, и мы сделали "квантовый прыжок в наномир".
Рис. 4.1. Основоположная речь по нанотехнологии, записанная в наномасштабе. Перепечатано с любезного разрешения группы Миркина, Нортвестернский университет
ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАНОСТРУКТУР
Сканирующие зонды
Одними из первых инструментов, которые помогли инициировать нанотехнологическую революцию, были так называемые сканирующие зонды. Все типы сканирующих зондов основаны на идее, впервые разработанной ЛабораториейIBMв Цюрихе в 1980-х. По сути, данная идея проста: если провести пальцем по поверхности, легко отличить бархат от стали или дерево от смолы. Различные материалы с различной силой воздействуют на палец, когда ими проводят по различным поверхностям. В данных экспериментах палец действует как структура измерения силы.
Им легче провести по атласной простыне, чем по нагретой смоле, поскольку нагретая смола оказывает более сильное сопротивление пальцу. Данная идея положена в основу сканирующего микроскопа, одного из распространенных сканирующих зондов. При измерении с помощью сканирующего зонда зонд скользит по поверхности так же, как это делают пальцы.
Зонд имеет наноскопический размер (часто - всего один атом). При движении зонд может измерять несколько различных свойств, каждое из которых соответствует иному измерению. Например, в атомном микроскопе (AtomicForceMicroscope-АРМ) электроника используется для измерения силы, вводимой кончиком зонда при его движении вдоль поверхности. Это точно те же измерения, что проводятся скользящими пальцами, только сведенные до наноскопических масштабов.
В туннельном микроскопе (ScanningTunnelingMicroscope—STM) измеряется величина электрического тока, проходящего между сканирующим зондом и поверхностью. В зависимости от того, как проводятся измерения, микроскоп можно использовать либо для проверки локальной геометрии (насколько поверхность локально выступает вперед), либо для измерения локальных характеристик электропроводности. Туннельная микроскопия — это, по сути, первый разработанный метод зондового сканирования, и за его открытие Герд Бинниг (GerdBinnig) и Генрих Рорер (HeinrichRohrer) в 1986 году получили Нобелевскую премию.
В магнитно-силовом микроскопе (MagneticForceMicroscopy-MFM) зонд, сканирующий поверхность, является магнитным. Он позволяет почувствовать на поверхности локальную магнитную структуру. ЗондMFMработает подобно считывающей головке винчестера или магнитофона.
Чтобы изображение любого сканирующего инструмента подать человеку, часто используется компьютерное представление, подобное изображению наноскопических счетов, приведенных в главе 1. Это позволяет значительно улучшить необработанные данные, которые будут выглядеть так же хорошо, как призрачное рентгеновское изображение багажа в аэропорту, Впрочем, сканирующие инструменты не могут представить ни чего такого же большого, как багаж; они более полезны для измерения структур на масштабе от одного атома до микромасштаба. Нанотехнология предлагает другие способы ловли людей, провозящих запрещенные предметы.
Существуют и другие сканирующие микроскопы Они называются сканирующими зондами, поскольку основаны на идееSTM. Сканирующий наноскопический зонд, скользящий по поверхности, используется для изучения наноскопических структур через измерение сил токов, магнитного сопротивления, химической чистоты или других специфических свойств. Пример одного такого зонда приведен на рис. 4.2.
