Сканувальна зондова мікроскопія
В даний час бурхливо розвивається науково-технічний напрямок - нанотехнологія, що охоплює широке коло як фундаментальних, так і прикладних досліджень. Це принципово нова технологія, здатна вирішувати проблеми у таких різних галузях, як зв'язок, біотехнологія, мікроелектроніка та енергетика. Сьогодні більше сотні молодих компаній розробляють нанотехнологічні продукти, які вийдуть на ринок у найближчі два – три роки.
Прогрес у нанотехнології стимулювався розвитком експериментальних методів досліджень, найбільш інформативними з яких є методи скануючої зондової мікроскопії, винаходом і особливо поширенням яких світ завдячує нобелівським лауреатам 1986 - професору Генріху Рореру і доктору Герду Біннігу [2].
Світ був зачарований відкриттям таких простих методів візуалізації атомів, та ще й з можливістю маніпуляції ними. Багато дослідницьких груп почали конструювати саморобні прилади та експериментувати в даному напрямку. В результаті був народжений ряд зручних схем приладів, були запропоновані різні методи візуалізації результатів взаємодії зонд-поверхня, такі як мікроскопія латеральних сил, магнітно-силова мікроскопія, мікроскопія реєстрації магнітних, електростатичних, електромагнітних взаємодій. Набули інтенсивного розвитку методи близькопольної оптичної мікроскопії. Було розроблено методи спрямованого, контрольованого впливу в системі зонд-поверхня, наприклад, нанолітографія – зміни відбуваються на поверхні під дією електричних, магнітних впливів, пластичних деформацій, світла в системі зонд-поверхня. Були створені технології виробництва зондів із заданими геометричнимипараметрами, зі спеціальними покриттями та структурами для візуалізації різних властивостей поверхонь [1].
Сканувальна зондова мікроскопія (СЗМ) – один із потужних сучасних методів дослідження морфології та локальних властивостей поверхні твердого тіла з високою просторовою роздільною здатністю. За останні 10 років скануюча зондова мікроскопія перетворилася з екзотичної методики, доступної лише обмеженому числу дослідницьких груп, широко поширений і успішно застосовується інструмент для дослідження властивостей поверхні. В даний час практично жодне дослідження в галузі фізики поверхні та тонкоплівкових технологій не обходиться без застосування методів СЗМ. Розвиток скануючої зондової мікроскопії послужило також основою розвитку нових методів в нанотехнології – технології створення структур з нанометровими масштабами [3].
1. Історична довідка
Для спостереження дрібних об'єктів голландець Антоні ван Левенгук у 17 столітті винайшов мікроскоп, відкривши світ мікробів. Його мікроскопи були недосконалими і давали збільшення від 150 до 300 разів. Але його послідовники вдосконалили цей оптичний прилад, заклавши фундамент для багатьох відкриттів у біології, геології, фізиці. Однак наприкінці 19 століття (1872 р.) німецький оптик Ернст Карл Аббе показав, що через дифракцію світла роздільна здатність мікроскопа (тобто мінімальна відстань між об'єктами, коли вони ще не зливаються в одне зображення) обмежена довжиною світлової хвилі (0.4 – 0,8 мкм). Тим самим він заощадив масу зусиль оптиків, які намагалися зробити більш досконалі мікроскопи, але розчарував біологів і геологів, які втратили надію отримати прилад зі збільшенням вище 1500x.
Історія створення електронного мікроскопа – чудовий приклад того, якгалузі науки і техніки, що самостійно розвиваються, можуть, обмінюючись отриманою інформацією та поєднуючи зусилля, створювати новий потужний інструмент наукових досліджень. Вершиною класичної фізики була теорія електромагнітного поля, яка пояснила поширення світла, виникнення електричних та магнітних полів, рух заряджених частинок у цих полях як поширення електромагнітних хвиль. Хвильова оптика зробила зрозумілими явище дифракції, механізм формування зображення та гру факторів, що визначають дозвіл у світловому мікроскопі. Успіхам у галузі теоретичної та експериментальної фізики ми зобов'язані відкриттям електрона з його специфічними властивостями. Ці окремі і, здавалося б, незалежні шляхи розвитку призвели до створення основ електронної оптики, однією з найважливіших програм якої був винахід ЕМ у 1930-х роках. Прямим натяком на таку можливість можна вважати гіпотезу про хвильову природу електрона, висунуту в 1924 році Луї де Бройлем і експериментально підтверджену в 1927 К.Девіссоном і Л.Джермером у США та Дж.Томсоном в Англії. Тим самим було підказано аналогію, що дозволила побудувати ЕМ за законами хвильової оптики. Х.Буш виявив, що за допомогою електричних та магнітних полів можна формувати електронні зображення. У перші два десятиліття 20 ст. були створені та необхідні технічні передумови. Промислові лабораторії, що працювали над електронно-променевим осцилографом, дали вакуумну техніку, стабільні джерела високої напруги та струму, хороші електронні емітери [2].
У 1931 Р.Руденберг подав патентну заявку на електронний мікроскоп, що просвічує, а в 1932 М.Кнолль і Е.Руска побудували перший такий мікроскоп, застосувавши магнітні лінзи для фокусування електронів. Цей прилад був попередником сучасногооптичного електронного мікроскопа, що просвічує (ОПЕМ). (Руска був винагороджений за працю тим, що став лауреатом Нобелівської премії з фізики за 1986.) У 1938 Руска і Б. фон Борріс побудували прототип промислового ОПЕМ для фірми «Сіменс-Хальське» в Німеччині; цей прилад дозволив досягти дозволу 100 нм. Декількома роками пізніше А.Пребус і Дж.Хіллер побудували перший ОПЕМ високого дозволу в Торонтському університеті (Канада).
Широкі можливості ОПЕМ майже відразу стали очевидні. Його промислове виробництво було розпочато одночасно фірмою «Сіменс-Хальське» у Німеччині та корпорацією RCA у США. Наприкінці 1940-х років такі прилади почали випускати інші компанії [2].
РЕМ у його нинішній формі був винайдений у 1952 році Чарльзом Отлі. Щоправда, попередні варіанти такого пристрою були побудовані Кноллем у Німеччині у 1930-х роках та Зворикіним із співробітниками в корпорації RCA у 1940-х роках, але лише прилад Отлі зміг послужити основою для низки технічних удосконалень, що завершилися впровадженням у виробництво промислового варіанту РЕМ у середині 1960-х років. Коло споживачів такого досить простого у користуванні приладу з об'ємним зображенням та електронним вихідним сигналом розширилося зі швидкістю вибуху. В даний час налічується добрий десяток промислових виробників РЕМ'ів на трьох континентах та десятки тисяч таких приладів, що використовуються у лабораторіях усього світу. У 1960-х роках розроблялися надвисоковольтні мікроскопи для дослідження товстіших зразків. Лідером цього напряму розробок був Г.Дюпуї у Франції, де в 1970 був введений в дію прилад з напругою, що прискорює, рівним 3,5 млн. вольт. РТМ був винайдений Г.Біннігом та Г.Рорером у 1979 у Цюріху. Цей дуже простий пристрійзабезпечує атомну роздільну здатність поверхонь. За свою роботу зі створення РТМ Бінніг та Рорер (одночасно з Руською) отримали Нобелівську премію.
У 1986 році Рорером і Біннігом був винайдений зондовий мікроскоп, що сканує. З моменту свого винаходу СТМ широко використовується вченими різних спеціальностей, що охоплюють практично всі природничі дисципліни починаючи від фундаментальних досліджень в галузі фізики, хімії, біології і до конкретних технологічних додатків. Принцип дії СТМ настільки простий, а потенційні можливості такі великі, що неможливо передбачити його вплив на науку та техніку навіть найближчого майбутнього.
Як виявилося надалі, практично будь-які взаємодії гострого зонда з поверхнею (механічні, магнітні) можуть бути перетворені за допомогою відповідних приладів та комп'ютерних програм на зображення поверхні [2].
Установка скануючого зондового мікроскопа складається з кількох функціональних блоків, зображених на рис. 1. Це, по-перше, сам мікроскоп з п'єзоманіпулятором для керування зондом, перетворювачем тунельного струму в напругу та кроковим двигуном для підведення зразка; блок аналого-цифрових та цифро-аналогових перетворювачів та високовольтних підсилювачів; блок керування кроковим двигуном; плата з сигнальним процесором, що розраховує сигнал зворотного зв'язку; комп'ютер, що збирає інформацію та забезпечує інтерфейс з користувачем. Конструктивно блок ЦАПів та АЦП встановлений в одному корпусі з блоком керування кроковим двигуном. Плата із сигнальним процесором (DSP – Digital Signal Processor) ADSP 2171 фірми Analog Devices встановлена в ISA слот розширення персонального комп'ютера [4].
Загальний вигляд механічної системи мікроскопа подано на рис. 2. Умеханічну систему входить основа з п'єзоманіпулятором і системою плавної подачі зразка на кроковому двигуні з редуктором і дві вимірювальні знімні головки для роботи в режимах скануючої тунельної і атомно-силової мікроскопії. Мікроскоп дозволяє отримати стійкий атомний дозвіл на традиційних тестових поверхнях без застосування додаткових сейсмічних та акустичних фільтрів [4].