ВВЕДЕНИЕ. В предыдущей главе рассматривались методы микроструктурных исследо-

Глава 4

ЗОНДОВЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ

ВВЕДЕНИЕ

В предыдущей главе рассматривались методы микроструктурных исследо-

ваний, основы которых были заложены задолго до начала нанотехнического

бума. Революционные подходы и принципы создания новых материалов и про-

дуктов в рамках новых технологических концепций потребовали и нового инст-

рументария, сильно отличающегося от обычного исследовательского и инже-

нерного [4.1...4.10].

По ряду причин, подробно обсуждавшихся выше, наибольший интерес

представляют объекты и структуры с характерными размерами < 100 нм, по

достижении которых свойства любого материала могут измениться кардиналь-

но. Но ни увидеть такие объекты в самом хорошем оптическом микроскопе, ни

оперировать ими обычным инструментом невозможно. Поэтому возникла по-

требность в создании новых средств исследования, конструирования нанострук-

тур и манипуляции нанообъектами.

Одно из таких многофункциональных, почти универсальных средств - гро-

мадное семейство зондовых методов, созданное в последние два десятилетия

(рис. 4.1).

В качестве инструмента в нем используют иглу-зонд (зачастую атомарно-

острый), сканирующую поверхность с разрешением в доли ангстрема (1 А =

= 0,1 нм) по всем трем координатам. Нобелевский лауреат по физике 2000 г.

Ж.И. Алферов считает зондовые сканирующие методы одним из трех крае-

угольных камней НТ (наряду с молекулярно-лучевой эпитаксией и самосборкой

атомных кластеров на поверхности). Для этого имеется множество оснований.

Данные методы:

- очень гибки и универсальны по отношению к материалам и разнообраз-

ным задачам (применимы для исследования топографических, электрических,

магнитных, оптических, химических и других характеристик как периодиче-

ских, так и непериодических поверхностных структур в проводящих, сверхпро-

водящих, полупроводниковых, диэлектрических, биологических и других мате-

риалах);

- легко достигают атомного разрешения;

- могут использоваться как в качестве пассивного средства исследования,

контроля и сертификации качества объектов нанонауки и нанотехнологии, так и

для их активной модификации;

- относительно просты и дешевы.

Все это способствует их стремительному распространению и внедрению в

практику работы исследовательских центров и производственных лабораторий,

использованию в качестве технологических средств и сенсоров, в устройствах

записи и считывания информации и в других приложениях.

Прообразом современных зондовых устройств можно считать электронный

проектор Э. Мюллера (1936 г.). Основным элементом этого прибора был катод в

виде проволочки с малым радиусом закругления на конце (10... 100 нм). Прило-

жение высокого отрицательного напряжения к острию (несколько киловольт)

приводит к автоэлектронной эмиссии. Эмитированные электроны ускоряются в

электрическом поле и бомбардируют экран, расположенный напротив и покры-

тый люминофором. Это позволяет получить изображение кончика зонда с раз-

решением в несколько нанометров.

Изменение полярности на игле превращает электронный проектор в ион-

ный (Э. Мюллер, 1951 г.), с помощью которого впервые было достигнуто атом-

ное разрешение в микроскопии поверхности. Однако при этом можно было по-

лучить только сильно искаженное изображение кончика самой иглы, да и то для

очень немногих материалов.

Существенное расширение возможностей зондовой микроскопии произош-

ло после изменения принципа построения изображения, в котором были исполь-

зованы туннельный эффект и сканирование иглой-зондом исследуемой поверх-

ности, что было предложено и реализовано еще в начале 70-х годов XX в.

Однако только соединение этих подходов с компьютерными методами

управления всеми циклами и обработки информации позволили Г. Биннигу и

Г. Рёреру (рис. 4.2) создать в 1981-1982 гг. полноценный сканирующий тун-

нельный микроскоп, быстро достигший атомного разрешения (Нобелевская

премия 1986 г.).

Такой подход принес множество преимуществ. Среди них возможность:

работать в широком диапазоне температур, в вакууме, на воздухе и в жидкости,

практически с любыми проводящими образцами без их сложной подготовки;

исследовать не только топологию поверхности, но и ее химический состав,

электронные, магнитные и другие свойства с высоким разрешением (атомным

или близким к нему); осуществлять поатомную сборку объектов, локально мо-

дифицировать и реконструировать поверхность и др.

Очень быстро номенклатура и число используемых откликов резко расши-

рились. В качестве измеряемого параметра стали использовать силы взаимодей-

ствия иглы с поверхностью (ван-дер-ваальсовы, кулоновские, магнитные), оп-

тические, термоэлектрические и эмиссионные характеристики, электрическую

емкость, электрические шумы и др.

В настоящее время число известных зондовых методов (вместе с их моди-

фикациями) насчитывает, по меньшей мере, несколько десятков и продолжает

быстро увеличиваться. Эти методы получили общее название - сканирующая