Нанотехнологии связаны с визуализацией отдельных атомов. Как известно, оптический микроскоп позволяет видеть мелкие детали величиной до 0,25 мкм, в то время как электронные микроскопы позволяют наблюдать предметы порядка нанометра.
В 1981 году был создан первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Здесь необходимо упомянуть об туннельном эффекте.
Туннельный эффект является квантовомеханическим эффектом, основанным на корпускулярноволновом дуализме – двойственной природе элементарных частиц. С точки зрения классической механики очевидно, что никакое материальное тело, имеющее энергию E, не может преодолеть потенциальный барьер высотой V0 , если V0>E. Однако если в качестве материального тела рассмотреть электрон, то оказывается, что даже если высота потенциального барьера выше, чем собственная энергия электрона, то он с определенной вероятностью может оказаться с другой стороны барьера, лишь незначительно изменив свою энергию, как если бы в барьере оказался некий туннель. Это явление объясняется наличием у электрона как корпускулярных, так и волновых свойств. Электрон проходит сквозь преграду, подобно тому, как рентгеновские волны свободно проходят сквозь материальные объекты.
Таким образом, над поверхностью любого проводника или полупроводника всегда наблюдается некоторое количество свободных электронов, «вышедших» за его пределы не в результате термоэлектронной эмиссии, а благодаря туннельному эффекту.
Если взять два проводящих вещества, расположить их на расстоянии 0,5 нм друг от друга и приложить к ним сравнительно малую разность потенциалов (0,11 В), то между ними возникнет электрический ток, обусловленный туннельным эффектом, который называется туннельным током.
Если повторить тот же опыт, но к поверхности интересующего тела поднести острый предмет, например, очень тонкую иглу с кончиком в атом толщиной, то, проводя ею над изучаемым объектом (сканируя его поверхность) можно получать информацию о строении объекта на атомном уровне.
В 1981 году сотрудники компании IBM Г. Бининг и Г. Рорер на основе этого явления построили первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и в 1982 г. с его помощью впервые в истории получили изображение поверхности золота, а затем и кремния с атомарным разрешением.
За это открытие в 1985 году ученые были удостоены Нобелевской премии, а дальнейшее развитие сканирующей микроскопии привело к бурному развитию нанотехнологий.
Рабочим органом СТМ – зондом – служит токопроводящая металлическая игла. Зонд подводится к изучаемой поверхности на очень близкое расстояние (~0,5 нм) и при подаче на зонд постоянного напряжения между ними возникает туннельный ток, который экспоненциально зависит от расстояния между зондом и образцом. Это значит, что при увеличении расстояния лишь на 0,1 нм туннельный ток уменьшается почти в 10 раз! Именно это и обеспечивает высокую разрешающую способность микроскопа, поскольку незначительные изменения по высоте рельефа поверхности вызывают существенное изменение туннельного тока.
Поддерживая ток и расстояние постоянным при помощи следящей системы, зонд сканирует поверхность, перемещаясь над нею по осям X и Y, то опускаясь, то поднимаясь в зависимости от ее рельефа.
Информация об этом перемещении отслеживается компьютером и программно визуализируется, чтобы исследователь мог увидеть на экране объект с нужным разрешением.
Существуют два варианта конструкции СТМ в зависимости от режима сканирования образцов.
В режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирования изменяется. Исходя из данных о величине тока туннелирования, измеренной в каждой точке поверхности, строится образ ее рельефа.
В режиме постоянного тока СТМ задействуется система обратной связи для поддержания постоянного тока туннелирования путем подстройки высоты сканирующего устройства над поверхностью в каждой ее точке.
У каждого режима есть преимущества и недостатки. Режим постоянной высоты быстрее, так как системе не приходится передвигать сканирующее устройство вверхвниз, но при этом можно получить полезную информацию только с относительно гладких образцов. В режиме постоянного тока можно с высокой точностью изучать сложные поверхности, но он занимает и больше времени.
Важной деталью сканирующего туннельного микроскопа является механический манипулятор, который должен обеспечивать перемещение зонда над поверхностью с точностью дотысячных долей нанометра. Обычно механический манипулятор изготавливают из пьезокерамического материала.
Удивительным свойством такого материала является пьезоэффект. Суть его заключается в следующем: если из пьезоматериала вырезать прямоугольную балку, нанести на противоположные стороны металлические электроды и приложить к ним разность потенциалов, то под действием тока произойдет изменение геометрических размеров балки. И наоборот: при малейшей деформации (сжатии) балки на ее противоположных концах возникнет разность потенциалов. Таким образом, управляя малыми изменениями тока, можно добиться перемещения зонда на очень малые расстояния, необходимые для работы сканирующего микроскопа.
В практических конструкциях обычно используют пьезокерамические манипуляторы, выполненные в виде тонкостенной трубки с несколькими раздельными электродами. Управляющее напряжение вызывает удлинение или изгиб таких манипуляторов и, соответственно, перемещение зонда по всем трем пространственным координатам X, Y и Z.
Конструкции современных манипуляторов обеспечивают диапазон перемещения зонда до 100–200 мкм в плоскости и до 5–12 мкм по высоте.
Туннельный микроскоп позволил ученым исследовать поверхности на атомном уровне. Однако этот прибор имеет и ряд ограничений. Основанный на туннельном эффекте, он может применяться только для изучения материалов, хорошо проводящих электрический ток.
