8.2. Получение информации о микро- и наномире

Целенаправленное и контролируемое изготовление различных устройств невозможно без постоянного получения информации о состоянии обрабатываемого объекта. Основным органом восприятия окружающего мира для человека являются глаза. Они представляют собой сравнительно простое оптическое устройство, где отраженные от рассматриваемого объекта световые лучи фокусируются с помощью хрусталика, являющегося жидкокристаллической линзой, на сетчатке глаза и затем анализируются мозгом. Минимальный размер, который может разглядеть человек, около 0,1 мм. Для рассмотрения более мелких объектов еще в средние века начали использоваться оптические линзы (очки, лупы), а в дальнейшем – конструкции из нескольких линз, которые назвали оптическими микроскопами. Оптические приборы позволяют различать мелкие детали рассматриваемого объекта. Разрешающая способность (разрешающая сила) характеризует способность оптического прибора давать раздельное изображение двух близких точек объекта. Наименьшее расстояние между точками, начиная с которого их изображения сливаются и перестают быть различными, называется пределом разрешения. Чем меньше длина волны света, используемого для освещения, тем выше разрешение оптического прибора. Для света (оптического диапазона электромагнитных волн) предел разрешения микроскопов составляет примерно 200 нм. Для дальнейшего увеличения разрешающей способности были созданы приборы, в которых используются волновые излучения с меньшей длиной волны, т.е. не световой природы.

С точки зрения квантовой механики электрон имеет двойственную природу: корпускулярную и волновую. Волновые свойства электронов используются в электронных микроскопах. В таких устройствах вместо света используется пучок электронов, а стеклянные линзы заменены электрическими или магнитными линзами. Уравнения, описывающие движение электронов в таких системах, аналогичны соответствующим математическим выражениям для световых волн в оптических микроскопах. Но так как электроны представляют собой излучение со значительно более короткой длиной волны ( ; где λ – длина волны электрона , P – его импульс, h – постоянная Планка), то разрешающая способность электронного микроскопа увеличивается на несколько порядков. Для предотвращения рассеяния электронов на молекулах воздуха внутри электронного микроскопа следует обеспечить высокий вакуум, что значительно осложняет работу с электронным микроскопом.

Просвечивающий электронный микроскоп. Впервые создан в 1932 г. немецкими учеными М. Кноллом и Е. Руска. Источник электронов – раскаленная вольфрамовая проволока, испускающая электроны вследствие термоэлектронной эмиссии (в некоторых электронных микроскопах используется автоэлектронная эмиссия из кремниевого кристалла). Для управления движением электронов используются электрические или магнитные линзы. Пучок электронов движется через линзу-конденсор, регулирующую интенсивность потока электронов и облучаемую площадь образца, после прохождения которого проектируется с помощью линзы-объектива на люминесцентный экран, изображение с которого фотографируется. Таким образом, пучок электронов, проходя через исследуемый образец, позволяет получать на фотоснимках прямое изображение дефектов или неоднородностей структуры образца. С помощью просвечивающих электронных микроскопов можно получать дифракционные картины, анализ и обработка которых позволяет получить данные об ориентации кристаллов и периодичности атомных структур. Образец для исследования представляет собой сверхтонкую пластинку, изготовление которой производится по сложным методикам с использованием специальных способов (ионное фрезерование и т.п.). С помощью современных просвечивающих микроскопов достигается разрешающая способность около 0,2 нм, что позволяет получать изображение отдельных атомов и молекул.

Сканирующий электронный микроскоп. Пучок электронов с энергией в несколько десятков кэВ, создаваемый электронной пушкой, проходит последовательно управляющую линзу-конденсор, отклоняющую катушку, линзу объектив и сканирует изучаемую поверхность. В зависимости от поставленной задачи регистрируется рентгеновское излучение (анализ химического состава вещества поверхности), вторичные электроны (в этом случае достигается самое высокое разрешение), отраженные электроны. Полученные сигналы усиливаются, преобразуются по интенсивности и т.д., после чего подаются на экран электронно-лучевой трубки, где создают видимое изображение поверхности. Работа микроскопа требует поддержания высокого вакуума во всей установке. Разрешающая способность сканирующих микроскопов достигает в настоящее время 0,5 нм.

Сканирующий туннельный (зондовый) микроскоп. В настоящее время созданы несколько видов сканирующих зондовых микроскопов, среди которых особо следует отметить сканирующий туннельный микроскоп, атомарно-силовой микроскоп, сканирующий оптический микроскоп ближнего поля и др. Основной деталью сканирующего туннельного микроскопа является тонкий металлический зонд-игла, двигающийся вдоль исследуемой поверхности на очень малом от нее расстоянии. Между поверхностью и зондом приложено электрическое напряжение, в результате чего возникает туннельный ток. Его величина и позволяет судить о структуре поверхности.

Туннельный ток представляет собой явление квантовомеханической природы. Это ток, представляющий собой движение электронов, преодолевающих потенциальный барьер вследствие «туннельного эффекта». (Туннельный эффект – это преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, если ее полная энергия меньше высоты этого барьера). Высота расположения зонда над поверхностью задается определенным значением туннельного тока (при малых расстояниях возникает большой электрический ток обычного типа, а при больших – туннельный ток резко падает). В процессе работы сканирующий зонд прорисовывает исследуемую поверхность. Разрешающая способность микроскопа позволяет создать изображение профиля поверхности с точностью до размеров одного атома или молекулы, т.е. с точностью до нескольких десятых нанометра. Анализ изменения величины туннельного тока позволяет сделать вывод об изменении ориентации атома на поверхности. Так как принцип действия туннельного микроскопа основан на измерении электрического тока, то его можно использовать только для исследования электропроводящих материалов.

Атомно-силовой микроскоп. Принцип работы этого зондового микроскопа позволяет исследовать поверхность и материалов-изоляторов. Зонд прикреплен к концу плоской пружины (кантиллевера) и его положение определяется величиной межатомных сил отталкивания, возникающих между острием зонда и поверхностью (радиус действия этих сил порядка размера атома). Зонд сканирует поверхность, а его положение тщательно регистрируется с помощью оптического лазера, луч которого отражается от поверхности плоской пружины-кантиллевера. Полученная информация затем переводится в изображение. Величина измеряемых межатомных сил соответствует наноньютонам. Точность изображения поверхности превышает точность сканирующих туннельных микроскопов и достигает долей нанометра. В последнее время зондовые микроскопы начали использоваться также для сверхточной обработки поверхностей, для целенаправленной манипуляции отдельными атомами и молекулами, для измерения магнитных, электрических, адсорбционных и др. характеристик поверхности.