Туннель внаномир: глядя намир, нельзя неудивляться!» козьма прутков

К тому времени, как был достигнут дифракционный предел для видимого света (приблизительно 1000-кратное повышение), люди осознали, что самое занимательное так и осталось за кадром: посредством оптических устройств ни при каких обстоятельствах не удастся заметить атомы, имеющие размер порядка ангстрема (0,1 от миллиардной доли метра). А взглянуть на них весьма хотелось. Близко подойти к заветной цели помог электронный микроскоп.

И все же лучшее, на что тут возможно рассчитывать, это картины с атомами-точками. Дальше отечественное зрение бессильно, и никакой микроскоп тут не окажет помощь не считая туннельного.

Первые шаги на ощупь

В начале 1980-х Герд Бинниг и Генрих Рорер, сотрудники швейцарского отделения IBM, сделали прибор, разрешающий разглядывать одиночные атомы вещества. В нем было использовано квантовое явление туннелирования, и он стал называться «сканирующий туннельный микроскоп» (СТМ).

Мысль пребывала в следующем. Тонкая игла-зонд с острием толщиной в один атом перемещается над поверхностью объекта на расстоянии порядка одного нанометра. В соответствии с законами квантовой механики появляется туннельный эффект: электроны преодолевают вакуумный барьер между иглой и объектом, и в цепи «пример- игла» начинает течь ток.

Величина его очень сильно зависит от расстояния между поверхностью объекта и концом иглы. Так очень сильно, что кроме того при уменьшении промежутка всего на один ангстрем ток возрастает приблизительно на порядок. Исходя из этого, смотря за величиной тока при перемещении иглы на протяжении поверхности, возможно изучать ее рельеф — как будто бы просматривая книгу для слепых, написанную шрифтом Брайля.

В теории мысль прекрасная и несложная, но на практике очень сложная. Необходимо всецело устранить вибрации, термические деформации, сделать иглу с одноатомным острием, к тому же мочь перемещать ее с субатомной точностью. Первые две задачи возможно решить, сделав виброразвязку и изолировав совокупность в вакууме от звуковых шумов, а для компонентов конструкции подобрав материалы с малыми коэффициентами термического расширения. Что касается перемещения, тут, к счастью, имеется пьезодвигатели.

Но как быть с иглой? Выручило то, что на ядерном уровне поверхность неизменно «шероховатая», и на ней постоянно найдётся «мини-острие», выступающее дальше всех. Как раз оно первым будет «ощущать» поверхность, а ток через соседние атомы на финише иглы будет в десять раз меньше.

Убедиться в правильности этих рассуждений возможно было лишь в опытах, каковые заняли 27 месяцев.

Первая испытательная установка представляла собой смесь лабораторной работы по физике и научной фантастики. Ее сделали на базе эксикатора (осушителя), обмотанного огромным числом обычного скотча. В данной охлаждаемой камере над сверхпроводящей свинцовой чашей левитировала твёрдая платформа, снабженная постоянными магнитами.

На ней были закреплены площадка на трех ножках с примером, пьезодвигатели и держатель иглы. Неповторимое сооружение потребляло 20 л жидкого гелия в час. Именно на этом экзотическом устройстве по окончании нескольких месяцев постоянной работы взяли первые результаты — подтвердили экспоненциальную связь между расстоянием и туннельным током от иглы до примера.

Это первенствовали последний случай применения левитации в туннельной микроскопии — потом употреблялась виброразвязка СТМ посредством совокупности пружин либо активных элементов с обратной связью.

По окончании того как первые картины с ядерным разрешением кремния и поверхности золота были представлены научному сообществу, наступило напряженное ожидание: никто не имел возможности повторить превосходный итог. Через три года по окончании публикации до авторов дошли увлекательные слухи. Выяснилось, в научной среде не редки споры на бутылку шампанского, что все эти картины — легко компьютерное моделирование!

Обстановка радикально изменилась лишь в 1985 году, в то время, когда результаты были наконец обоснованы в нескольких лабораториях. А уже через год его создателям, Биннигу и Рореру, была присуждена Нобелевская премия в области физики.

В действительности сомнения скептиков были не совсем уж беспочвенны. Так как, не обращая внимания на похожее наименование, туннельный микроскоп, в отличие от привычного оптического, не дает в прямом смысле увеличенное изображение объекта. Необычная трехмерная (!) картина с атомами — всего лишь интерпретация поверхности взаимодействия образца и результатов иглы, график, показывающий, как изменяется ток при перемещении иглы параллельно поверхности.

Атомно-силовой микроскоп

СТМ имеет одно значительное ограничение: объект изучения должен быть проводящим — металл либо полупроводник, в противном случае не будет туннельного тока. Получается, что в туннельный микроскоп нельзя «рассмотреть» ни один изолятор, к примеру бриллиант. До тех пор пока осваивали туннельный способ, показалась идея: во второй половине 80-ых годов двадцатого века Биннинг внес предложение вариант микроскопа, названного атомно-силовым.

Принцип его работы содержится в следующем. На тех расстояниях, на которых появляется туннелирование, между иглой и образцом начинает функционировать большая сила. Она также, как и туннельный ток, зависит от величины промежутка, и ее также возможно измерять, применяя, к примеру, упругость подвеса — кантилевера, на котором закреплена игла.

С одной стороны, раскрываются большие возможности — возможно изучать каждые тела независимо от их электропроводности, а с другой — появляются дополнительные неприятности. Сила сотрудничества между образцом и иглой, в отличие от туннельного тока, зависит от расстояния не монотонно, а достаточно сложным образом: сперва это притяжение, которое с уменьшением расстояния, начиная приблизительно с 2 нм, сменяется отталкиванием. Исходя из этого область расстояний, в которой возможно трудиться, очень ограничена, и требуется тщательная юстировка прибора, в противном случае взятую картину будет фактически нереально трактовать.

В общем, туннельный и атомно-силовой микроскопы весьма похожи, но у них имеется одно ответственное отличие — конструкция иглы. В туннельном игла принципиально закреплена весьма жестко и ни при каких обстоятельствах не должна касаться поверхности, а в атомно-силовом — в обязательном порядке на упругом подвесе (кантилевере) и может трудиться кроме того в прямом контакте с примером. Для СТМ чем острее игла, тем лучше, а в атомно-силовом микроскопе через чур острая игла будет давать через чур мелкий сигнал, что тяжело зарегистрировать.

Первое время кантилеверы для АСМ делали из золотой фольги с алмазным наконечником либо из бытовой алюминиевой фольги с вольфрамовой проволочкой, а позже перешли на кремниевые, каковые активно применяются до сих пор. Колебания кантилевера регистрируют посредством напыленного на него мелкого зеркальца. Весьма эргономичный метод, но лишь не при работе в условиях низких температур, в то время, когда микроскоп расположен в криостата и отъюстировать кантилевер с зеркальцем фактически нереально.

Тут нашли красивое ответ — применять в качестве кантилевера кварцевый камертон, что задает частоту в произвольных электронных часах.

В отсутствие посторонних действий таковой резонатор имеет строго определенную собственную частоту. Но в случае если покажется дополнительная сила, к примеру при приближении к атомам в режиме атомно-силового микроскопа, частота колебаний изменится, что и зарегистрирует электрическая схема.

Игла имеет значение

Самый ответственный элемент и туннельного, и атомно-силового микроскопа — игла. Всё, что имеется в отечественном распоряжении, это итог сотрудничества между электронными оболочками атомов иглы и атомов образца. Представьте, в случае если у зонда появилось как бы два параллельных кончика. Они будут в один момент проводить туннельный ток и давать сигнал от двух точек, находящихся на расстоянии друг от друга.

В этом случае эти весьма тяжело верно трактовать, изображение может двоиться либо быть размытым.

Стандартная разработка заточки иглы — травление вольфрамовой проволочки в особом электролите. Используют для данной цели и без того именуемую ионную заточку: обдувают проволочку потоком ионов, сбивая все лишнее. К сожалению, опыт говорит о том, что иглу никак нельзя подготовить в один раз раз и окончательно. Данный компонент туннельного микроскопа требует постоянной заботы.

Не все лаборатории смогут позволить себе функционировать в соответствии со стандартными процедурами — изобретательные научные работники частенько используют и относительно недорогие, но не меньше действенные методы. К примеру, возможно платиновую проволочку откусывать маникюрными ножницами либо особыми кусачками с режущими поверхностями из жёсткого сплава. При ловкости рук и наличии опыта получаются в полной мере работоспособные иглы.

В рабочем режиме расстояние между образцом и иглой очень мало, и при их случайном соприкосновении пример может повредиться, а игла испортиться. В то время, когда совокупность трудится на воздухе, заменить иглу относительно легко, а если она находится в вакууме? Тут имеется пара вариантов: загрузка сходу целого набора игл и образцов (числом пара десятков), особый шлюз для смены игл (время замены — пара часов) либо починка прямо в микроскопа.

Ремонтируют иглы различными методами. Подают определенное напряжение, и лишние атомы улетают с наконечника иглы или, напротив, налипают на него, образуя острый кончик. Время от времени рядом с примером в микроскопа намерено ставят железную площадку. В случае если въехать в нее иглой, а позже медлительно вынимать, другими словами шанс, что игла заострится.

Данный метод особенно популярен для низкотемпературных микроскопов, где не считая вакуума приходится беречь еще и мороз.

Применения

Туннельная микроскопия — способ неповторимый, в первую очередь вследствие того что для туннельного результата не требуется никаких особенных условий — ни вакуума, ни низких температур. Так что сам по себе туннельный микроскоп представляет собой в полной мере компактное устройство и может иметь размер всего пара сантиметров. Нужно лишь обеспечить виброразвязку и стабилизации и электрическую схему измерения туннельного тока, связанную с пьезодвигателями.

Создан, к примеру, особый СТМ для изучений в установки «Токамак». Это достаточно лаконичный прибор кроме того без виброизоляции, потому, что игла нацелена на фиксированное место исследуемого объекта. Поместив таковой СТМ вместе с закрепленным в примером в трудящуюся установку, некое время замечают, как деградирует материал в условиях экстремальных радиации и температур.

Микроскоп успевает передать серию последовательных изображений поверхности, пока сам не станет жертвой невыносимых условий.

Но каковы бы ни были возможности туннельного микроскопа, в том месте, где речь заходит об изучении поверхности, не обойтись без очень высокого вакуума. Лишь так возможно обеспечить чистоту объекта в отсутствие посторонних молекул и атомов и заметить, как в действительности устроены кристаллические решетки различных материалов, как выглядят примеси в полупроводниках либо как образуется слой поверхности в ходе молекулярно-лучевой эпитаксии.

Размер сканируемой области в большинстве случаев мал — порядка 100х100 нм. Исходя из этого имеется совокупности, где СТМ встроен в столик электронного микроскопа, дабы сперва отыскать необходимое место на поверхности объекта, а после этого детально изучить его с субатомным разрешением.

Сейчас СТМ и АСМ уже стали обширно распространенными исследовательскими инструментами. А нанотехнология без них бы на месте — ну как в противном случае рассмотреть, что делаешь, а основное — продемонстрировать остальным результаты собственного труда? Показалась целая индустрия, где возможно отыскать всё: от игл и кантилеверов до сложных исследовательских комплексов.

И однако работа с туннельным микроскопом, как и 20 лет назад, остается уделом опытных физиков. Чтобы получить кроме того на фирменном СТМ за полмиллиона долларов изображение какого-нибудь необыкновенного материала с разрешением в сотые доли ангстрема, потребуется большое мастерство.

Ручная работа

И все же туннельный микроскоп при средствах и достаточном умении разрешает не только замечать, но и создавать неповторимые картины. В то время, когда напряжение между иглой и образцом больше, чем в рабочем режиме туннелирования, атом примера (в действительности ион) может «перескочить» на иглу. Поменяв напряжение, возможно вынудить его «спрыгнуть» обратно.

В случае если в промежутке между этими событиями игла сдвинулась, атом возвратится уже на второе место. Получается, что возможно как угодно манипулировать атомами! Всё, что для этого необходимо, — хороший туннельный микроскоп, охлажденный до нескольких градусов выше полного нуля (дабы атомы не разбегались под действием теплового перемещения), масса терпения и подходящая игла. Первыми показали ловкость рук сотрудники IBM.

Они выложили логотип собственной компании атомами ксенона на поверхности никеля. С того времени прошло уже больше 15 лет, но до сих пор такое развлечение смогут себе позволить всего лишь пара исследовательских групп в мире. Научные издания публикуют изображения любовно сложенного из университета логотипа и атомов лаборатории либо картины «ядерного смайлика» диаметром 32 нм, собранного из 51 атома серебра. До тех пор пока все это больше напоминает начальную школу, где обучаются в один момент просматривать и писать.

А в то время, когда мы как направляться освоим эту науку, весьма интересно, какой роман выйдет из-под отечественного пера? Возможно, новый, совсем неизведанный тип судьбы?

Просвечивающий электронный микроскоп: Электроны вместо света

Вместо фотонов в ПЭМ трудятся электроны, вместо стеклянных линз — электронные, а единственное принципиальное отличие от оптического микроскопа пребывает в том, что глазу, что неимеетвозможности конкретно принимать пучок электронов, нужен дополнительный преобразователь наподобие люминесцентного экрана. На фотографиях с просвечивающего электронного микроскопа, где объекты увеличены в дюжина миллионов раз, превосходно видны ядерные слои и ступени.

Сканирующий туннельный микроскоп: Ядерные ступени

Так выглядит слой алюминия на поверхности кремния на изображении, взятом посредством СТМ в Отделе физики поверхности ИАПУ ДВО РАН. Из-за того что атомы алюминия больше по размеру, чем атомы кремния, образуется такая необыкновенная сверхструктура в виде треугольников. Фото предоставлено чл.-кор.

РАН А. А. Сараниным (ИАПУ ДВО РАН)

Так что же мы «видим» в туннельный микроскоп? Дабы ответить на данный вопрос, пригодились теоретические расчеты, опыты с различными материалами, сравнение данных, взятых различными способами. И сейчас мы знаем наверняка — игла «ощущает» электронные оболочки атомов.

на данный момент мастерство экспериментаторов достигло для того чтобы уровня, что они смогут отличать различные орбитали электронных оболочек а также слои атомов, расположенные на различной глубине. Судя согласно данным туннельной микроскопии, поверхность жёсткого тела является чередойвпадин и выпуклостей, похожих на упакованные в коробку шарики. Такое изображение с разрешением в пара десятых либо кроме того сотых долей ядерного размера (что соответствует повышению в 100 миллионов раз) дает туннельный микроскоп — максимально подробная картина мира, дешёвая на сегодня.

Ядерный силовой микроскоп: Шумные атомы

Посредством АСМ возможно изучать самые различные особенности поверхности — в зависимости от того, какую иглу применяют

АСМ — возможность изучать биологические объекты в их естественном состоянии, без приготовления и вакуума особых срезов, как в электронном микроскопе. Кроме того, в случае если на конец иглы посадить какую-нибудь молекулу, то именно она сама станет зондом, и возможно будет изучать не только топографию объектов, но и сотрудничество между ними.

К сожалению, в субатомной области атомно-силовой микроскоп так до тех пор пока и не достиг уровня туннельного. Громадные шумы так увеличивают время измерения в каждой точке, что целый процесс суть. В мире имеется не так много охлаждаемых АСМ, на которых удается стабильно приобретать изображения атомов, а точность простого атомно-силового микроскопа образовывает пара нанометров.

Сканирующая зондовая микроскопия

Изобретение туннельного микроскопа положило начало целой области изучений — сканирующей зондовой микроскопии. Как видно на примере АСМ, все дело в зонде, другими словами в игле. Заберём иглу со особым проводящим покрытием и диэлектрический пример на проводящей подложке — возьмём электросиловую микроскопию (ЭСМ) для изучения локальных электрических особенностей поверхности.

В случае если необходимо определить магнитные особенности — берем зонд, покрытый ферромагнетиком, и он «продемонстрирует» распределение магнитного поля в нанометровых масштабах (МСМ — магнитно-силовая микроскопия). Еще занимательнее забрать в качестве зонда миниатюрную диафрагму с отверстием в пара нанометров.

Оказывается, снова же в соответствии с законами квантовой механики, что видимый свет (с длиной волны пара сот нанометров) все же попадает в такое мелкое отверстие, но не на большом растоянии, а на расстояние, сопоставимое с размерами отверстия. И в случае если в пределах этого расстояния, в так именуемом «ближнем поле», поставить пример, отраженный от него свет даст заметный сигнал.

Перемещая диафрагму в близи от примера, как в туннельном микроскопе, возьмём поточечное изображение поверхности. Таковой способ именуется ближнепольной оптической микроскопией (БОМ) и был изобретен практически в один момент с туннельным микроскопом сотрудником лаборатории IBM в Цюрихе Дитером Полем. Уникальность ближнепольного способа в том, что это настоящее оптическое изображение поверхности в видимом свете с нанометровым разрешением!

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№48, октябрь 2006).

Случайные записи:

• Знание иностранных языков поможет справиться синсультом
• Затриллион лет добольшого взрыва: что было триллион лет назад

Козьма Прутков — Выбор редакции

Похожие статьи, которые вам понравятся:

• Техника томографии бьет новые рекорды

  Электронная томография представляет собой замечательное средство чтобы получить изображения материалов с высоким разрешением. Но до сих пор считалось,…

• Красота повтора: фракталы

  Что неспециализированного у дерева, берега моря, облака либо кровеносных сосудов у нас в руке? На первый взгляд может показаться, что все эти объекты нет…

• С туннелем или поплавками?

  Чуть показавшись на свет, новый судомодельный класс FSR-H («гидро»), рассчитанный на групповые гонки по несложной расстоянию, сразу же привлек общее…

• Клапан вместо золотника

  Любой моделист желает, дабы двигатель, установленный на его модели, и запускался с одного рывка, и трудился «как часы». Но доводка мотора — дело не…