Главная фишка наномашин и прочих нанотехнологий в том, что их не видно. И даже обычный микроскоп тут не факт, что поможет, микро- всё-таки в тысячу раз больше, чем нано-. И вот здесь нам поможет сегодняшний пациент: Сканирующий Туннельный Микроскоп, дальше будем кратко называть его СТМ, был изобретен в 1981 г. Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в лаборатории IBM в Цюрихе, а в 1986 принес своим создателям Нобелевскую премию. Правда, только половину, вторую часть получил Эрнст Август Фридрих Руска уже за другой микроскоп.
СТМ не был первым микроскопом, позволившим увидеть поверхность на наноуровне. История просвечивающего электронного микроскопа началась на век раньше (1873), а первый рабочий вариант был собран за полвека (1931) до СТМ. Однако, тот имел очень большие ограничения из-за того, что пробивал исследуемый объект потоком электронов. Первое – толщина исследуемых образцов не больше 100 нм, попробуй их такие еще создай в 1931-ом. Второе – уничтожение образца при исследовании. То есть дают нам коллеги объект на исследование, мы изучаем, смотрим, что там как, рассказываем, какую замечательную штуку они сделали, они радуются, а потом говорят: «Давайте его обратно, мы сейчас его вон туда поставим, и все заработает». Неудобно получается… Тем не менее, именно за создание просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска получил свою половину нобелевки в 1986.
Очевидно, что лишенный таких недостатков СТМ снискал куда большую любовь. Иронично, ведь он тоже пробивает свою жертву электронами, просто чуть нежнее. Итак, что же нам нужно для СТМ? Не так много – проводящая площадка и зонд-игла, на которую будем подавать определенное напряжение, а дальше работает старый добрый закон Ома – чем меньше итоговый ток, тем толще здесь наш образец. Раз все так просто, то почему сама установка обычно выглядит как стальной хтонический монстр? Ну, давайте по порядку:
1. Давайте сначала посмотрим, а как в принципе функционирует СТМ. Основными считаются два рабочих режима: постоянной высоты и постоянного тока. В первом случае зонд идет на фиксированной высоте и мы замеряем силу тока, во втором – фиксируем определенное значение силы тока и регистрируем ту высоту зонда, на которой будет нужный ток. Теперь остается поделить поверхность на узкие полоски, по которым наш зонд будет ползать, а потом полученные линии собрать в единый рисунок.
2. Что же может нам помешать? Во-первых, атмосфера, поскольку она повлияет на проводимость. Во-вторых – сам образец. Очень удобно изучать нечто однородное, но если там вкрапления веществ с разной проводимостью, то и картину рельефа мы получим далекую от действительности. С другой стороны, не всегда нам нужен именно рельеф. Полупроводниковые наноструктуры интересны своими электрическими свойствами, поэтому тут картина проводимости будет куда полезнее.
3. Поэтому СТМ бывают разные, хтонь со второго фото – это современный исследовательский прибор высокого класса, который может и в сверхвысокий вакуум, и в работу при 4°К (жидком гелии), а еще имеет дополнительные манипуляторы и возможность наблюдения при наведении различного излучения на образец. Поэтому все трубки, провода и датчики – это как раз про дополнительные возможности. Например, Solver PRO вполне адекватных размеров и вида, а его брат SOLVER NEXT (фото 5) так вообще смотрится как просто странный системник. Очевидно, функционал у него тоже попроще.
С устройством и видами определились, теперь давайте а зачем оно собственно нужно. Ну во-первых, наноэлектроника. Все полупроводниковые фишки типа квантовых точек, квантовых нитей, сверхрешеток из них, все это первоочередные пациенты СТМ. Во-вторых, более сложные сборки из них, микропроцессоры, которые давно уже нано, но по старой памяти зовутся микро, новые виды твердотельной памяти, кристаллы для лазеров. С этими ребятами все действительно очевидно, поскольку в первую очередь мы замеряем электрические характеристики.
А вот дальше сложнее, ибо в третью очередь у нас идут биологические объекты. В эпоху ковида наверняка каждый читатель смотрел на модели короновируса, а заодно резко восстанавливал школьные знания про антитела и их работу. Ну или хотя бы смотрели Пинкод Смешариков, там тоже вполне неплохо объяснили суть. Главное – нам важно знать, как выглядят всевозможные хвостики, жгутики и выступы на поверхности вирусов и бактерий, что бы эффективно обучить организм им сопротивляться. И вот здесь СТМ оказывается лучше своих собратьев, поскольку выдает уйму информации в самые короткие сроки, ведь нам даже не надо специальным образом готовить образец или очищать его от среды, в которой он находился, потому что достаточно будет определить возмущения электрических характеристик и форму области, в которой они есть, а не конкретные значения. Поэтому несмотря на почтенный возраст и ряд собственных ограничений СТМ очень популярен и решает многие актуальные научные задачи.
Пару раз я упоминал про собратьев СТМ, давайте пару слов и о них. Атомно-Силовой Микроскоп, АСМ, был изобретен на год позже, и, по сути, является модификацией СТМ. В чьей цюрихской лаборатории это произошло, можете догадаться сами. Более того, в большинстве случаев, современные сканирующие микроскопы имеют режимы СТМ и АСМ, то есть два в одном. Очевидная проблема СТМ – невозможность изучать то, что не проводит ток. В этом случае нам остается только непосредственно «пощупать» зондом поверхность, регистрируя изгиб упругой держащей пластинки -- кантилевера . При этом щупать можно и подавая электрический ток. Да-да, использовать АСМ как СТМ, но чуть более хитро. Основная проблема – зонд повреждается и отклоняется не всегда известным образом, поэтому проходя одну и ту же линию два раза даже в одном направлении можно получить разные картинки. А уж если пойти в обратку – то с вероятность в 99% будет что-то новое. 1% приходится на абсолютно гладкие поверхности, но зачем их смотреть? В любом случае – АСМ сейчас это основная рабочая лошадка, он применяется вообще везде, где нужно узнать о чем-то на наномасштабах.
Спустя еще пару лет в 1984 появился и третий брат – Ближнепольный Оптический Микроскоп, БОМ, все в том же цюрихском роддоме приборов по исследованию нанорельефа. Изначальная идея была предложена еще в 1928, но на тот момент было невозможно представить, как ее реализовать. Да и сейчас не особо верится, если честно. Суть в чем – когда мы говорим про что-то оптическое, то подразумеваем использование видимого света.
Длина волны 400-700нм, из школьного курса мы помним, что все явления могут происходит при размерах больше половины длины волны, т.е. больше 200 нм. Однако технология БОМ позволяет заглянуть глубже – если приемник света будет близок к поверхности, то он зарегистрирует рассеяния порядка расстояния до поверхности. Как легко догадаться, в качестве приемника света используется модифицированный зонд СТМ, но получаем мы непосредственно оптическое изображение в видимом диапазоне света.
Изобретение в 1981 году первого СТМ положило начало целому научному направлению – сканирующей зондовой микроскопии. На данный момент это основной метод изучения объектов размером порядка нанометра. Появление на его основе АСМ и БОМ открыло грандиозные возможности для исследователей всех областей современных естественных и технических наук, даже сложно представить, могла бы в принципе существовать нанонаука без них.
Автор: Сергей Васильев