Як рухати атоми за допомогою мікроскопа

Першими пристроями, за допомогою яких стало можливим спостерігати за нанооб'єктами та пересувати їх, стали скануючі зондові мікроскопи - атомно-силовий мікроскоп і скануючий тунельний мікроскоп, що працює за аналогічним принципом. Атомно-силова мікроскопія (АСМ) була розроблена Г. Біннігом і Г. Рорером, яким за ці дослідження у 1986 році було присуджено Нобелівську премію. Створення атомно-силового мікроскопа, здатного відчувати сили тяжіння та відштовхування, що виникають між окремими атомами, дало змогу нарешті «помацати і побачити» нанооб'єкти.

Малюнок 7а. Вістря шипа (верх, взято з Scientific American, 2001, Sept, p. 32.) і принцип роботи скануючого зондового мікроскопа (взято з http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#). Пунктир показаний хід променя лазера. Інші пояснення у тексті.

Основою АСМ (див. рис. 7а) служить мікрозонд, зазвичай зроблений з кремнію і являє собою тонку пластинку-консоль (її називають кантилевером, від англійського слова "cantilever" - консоль, балка). На кінці кантилевера (довжина - 500 мкм, ширина - 50 мкм, товщина - 1 мкм) розташований дуже гострий шип (висота - 10 мкм, радіус закруглення від 1 до 10 нм), що закінчується групою з одного або кількох атомів. При переміщенні мікрозонда вздовж поверхні зразка вістря шипа піднімається і опускається, окреслюючи мікрорельєф поверхні, подібно до того, як ковзає па грамплатівці патефонна голка. На кінці кантилевера (над шипом) розташована дзеркальна площадка, на яку падає і від якої відбивається промінь лазера. Коли шип опускається і піднімається на нерівностях поверхні, відбитий промінь відхиляється, і це відхиленняреєструється фотодетектором, а сила, з якою шип притягується до прилеглих атомів – п'єзодатчиком. Дані фотодетектора та п'єзодатчика використовуються в системі зворотного зв'язку, яка може забезпечувати, наприклад, постійну величину сили взаємодії між мікрозондом та поверхнею зразка. В результаті можна будувати об'ємний рельєф поверхні зразка в режимі реального часу. Роздільна здатність АСМ методу становить приблизно 0,1-1 нм по горизонталі та 0,01 нм по вертикалі.

Інша група зондувальних мікроскопів, що сканують, для побудови рельєфу поверхні використовує так званий квантово-механічний «тунельний ефект». Суть тунельного ефекту полягає в тому, що електричний струм між гострою металевою голкою та поверхнею, розташованою на відстані близько 1 нм, починає залежати від цієї відстані – чим менша відстань, тим більше струм. Якщо між голкою і поверхнею прикладати напругу 10 В то цей «тунельний» струм може скласти від 10 нА до 10 рА. Вимірюючи цей струм і підтримуючи його постійним, можна зберігати постійним і відстань між голкою та поверхнею. Це дозволяє будувати об'ємний профіль поверхні (див. рис. 7б). На відміну від атомно-силового мікроскопа, тунельний мікроскоп, що сканує, може вивчати тільки поверхні металів або напівпровідників.

Малюнок 7б. Голка скануючого тунельного мікроскопа, що знаходиться на постійній відстані над шарами атомів досліджуваної поверхні.

Скануючий тунельний мікроскоп можна використовувати і для переміщення атома в точку, вибрану оператором. Якщо напруга між голкою мікроскопа і поверхнею зразка зробити трохи більше, ніж треба вивчення цієї поверхні, то найближчий до неї атом зразка перетворюється на іон і"перескакує" на голку. Після цього злегка перемістивши голку і змінивши напругу, можна змусити атом "зістрибнути" назад на поверхню зразка. Отже, можна маніпулювати атомами і створювати наноструктури, тобто. структури поверхні, мають розміри порядку нанометра. Ще в 1990 році співробітники IBM показали, що це можливо, склавши з 35 атомів ксенону назву своєї компанії на платівці з нікелю (рис.8).

Рисунок 8. Складена з 35 атомів ксенону на платівці з нікелю назва компанії IBM, зроблена співробітниками цієї компанії за допомогою скануючого зондового мікроскопа в 1990 році.

З допомогою зондового мікроскопа можна як рухати атоми, а й створювати передумови їх самоорганізації. Наприклад, якщо на металевій пластині знаходиться крапля води, що містить іони тіолів, то зонд мікроскопа сприятиме такій орієнтації цих молекул, при якій їх два вуглеводневих хвоста будуть звернені від пластини. В результаті можна побудувати моношар тіольних молекул, що прилипли до металевої пластини (див. рис. 9).

Малюнок 9. Ліворуч – кантилевер (сірий) скануючого зондового мікроскопа над металевою пластинкою. Справа – збільшене зображення області (обведена білим малюнку ліворуч) під зондом кантилевера, де схематично показані молекули тіола з сірими вуглеводневими хвостами, выстраивающимися в моношар біля кінчика зонда. Взято з Scientific American, 2001, Sept, p. 44.

Слайди моєї лекції з НАНОТЕХНОЛОГІЙ - "Розмір має значення!" у форматі Power Point (3 Мб) див. Мою науково-популярну статтю - "Загадки одновимірного більярду" див.