Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

Механизм обратной связи реагирует на изменения оптического хода луча и воздействует на пьезоэлектрический преобразователь, регулирующий высоту, на которой находится образец, так что отклонение держателя остается постоянным.

В АСМ сканирование исследуемой поверхности происходит по «поверхности постоянной силы», тогда как в СТМ – по «поверхности постоянного туннельного тока». Принципы же прецизионного управления, основанного на обратной связи и улавливающего наноскопические изменения рельефа поверхности, в СТМ и АСМ практически одинаковы.

Атомно-силовой датчик (рис. 36) представляет собой чувствительный зонд в виде иглы 1 , позволяющий регистрировать силы взаимодействия между отдельным атомами. Во время сканирования образца зонд перемещается вдоль поверхности 2 , при этом напряжение на z-электроде сканера 3 регистрируется с помощью луча лазера 4 и записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности.

Атомный силовой микроскоп может использоваться для определения рельефа поверхности любых веществ (проводящих и не проводящих ток, а также полупроводников) на наноуровне. С его помощью наблюдают всевозможные несовершенства структуры, локализованные на изучаемых поверхностях, например дислокации или заряженные дефекты, а также примеси. Кроме того, АСМ позволяет выявить границы различных блоков (в частности, доменов) в кристалле. Он также служит для определения структур физического вакуума, литографии и других прикладных задач.

Рис. 36. Схема лазерного атомного силового микроскопа: 1 – игла зонда; 2 – исследуемая поверхность; 3 – приемное устройство лазера; 4 – лазер

На первых АСМ давление острия (массой около 1/106 г) было достаточно высоким и значительно искажало форму многих биологических молекул, раздавливало их или смещало из зоны сканирования. Давление увеличивалось из-за наличия тонких пленок воды и загрязнений, неизбежно накапливавшихся как на кончике острия, так и на поверхности исследуемого образца.

При разработке нового семейства сканирующих микроскопов с зондами-остриями давление зонда на поверхность удалось снизить в 10 раз. К таким устройствам относится ближнепольный оптический лазерный силовой микроскоп (рис. 37).

Рис. 37. Схема работы ближнепольного оптического лазерного силового микроскопа: 1 – луч лазера; 2 – исследуемая поверхность; 3 – капля воды

Исследование образца 2 осуществляется внутри капли воды 3, где находится и острие сканера. Нагрузка, которую позволяет отслеживать этот микроскоп, – это малая сила притяжения между исследуемой поверхностью и зондом (кремниевым или вольфрамовым), находящимся от нее на расстоянии от 2 до 20 нм. Она складывается из силы поверхностного натяжения воды в зазоре и слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Притягивающая сила очень мала – в 1000 раз меньше межатомного отталкивания в атомных силовых микроскопах. При перемещении острие вибрирует с частотой, близкой к резонансной. Лазерно-силовой микроскоп регистрирует силу межатомного взаимодействия по ее воздействию на динамику вибрирующего зонда.

Амплитуда измеряется с помощью сенсорного устройства на базе лазера. Для этого используется уже знакомый нам принцип микроскопии – интерферометрия. Лазерный луч расщепляется на два: луч сравнения, который отражается от стационарного зеркала или призмы, и зондирующий луч, отражаемый от обратной стороны острия. Два луча складываются и интерферируют, порождая сигнал, фаза которого чувствительна к изменению длины пути, пройденного зондирующим лучом. Таким образом, интерферометр с помощью луча лазера измеряет вибрации кончика острия (амплитудой до 10-5 нм). Рассмотренный принцип позволяет лазерно-силовому микроскопу регистрировать малые неровности рельефа величиной до 5 нм (до 25 атомных слоев).

Оптическая регистрация движения острия обеспечивает более надежное измерение зазора, чем обратная связь по туннельному току, и более мягкое (но плотное) прикосновение острия.

В настоящее время с помощью АСМ ученые начали достаточно эффективно исследовать различные биологические объекты, например вирусы, гены (особенно молекулы ДНК) и другие макромолекулы в рамках нового, но интенсивно развивающегося и перспективного научного направления – биомолекулярной нанотехнологии. Удалось даже зарегистрировать молекулярный процесс в его развитии – полимеризацию белка фибрина, основного компонента свернувшейся крови.

Бельгийские (Католический университет г. Лувена, Университет г. Льежа) и итальянские (Университет г. Болоньи) химики разработали методику, позволяющую с помощью атомного силового микроскопа переносить на подложку отдельные органические молекулы. Для эксперимента, который проводился при комнатной температуре, были использованы длинные полимерные молекулы в форме цепочек, которые удерживались на игле АСМ, покрытой слоем золота, за счет хемосорбции. Поверхностная плотность молекул на игле составляла менее 100 нм2. При сближении иглы с кремниевой подложкой, покрытой специальным органическим веществом с химически активными группами NH2, возникала ковалентная связь между цепочкой и подложкой. Эта связь оказывалась прочнее, чем связь «углерод-золото», за счет которой цепочка держалась на игле АСМ. Поэтому при удалении иглы от подложки цепочка отрывалась и оставалась на подложке.

Сила, действующая на иглу со стороны цепочки в момент ее отрыва, составляет F » 1 нН. Она возрастает до F » 2,5 нН, если игла покрыта слоем SiN. Результаты этого исследования свидетельствуют о принципиальной возможности осуществления химических реакций между всего несколькими молекулами, доставленными иглой АСМ в заданную область поверхности.

Однако и эта конструкция АСМ может привести к загрязнению или даже повреждению объекта. Разработчики во всем мире продолжают исследования и поиск более совершенных конструкций и технических решений в области силовых сканирующих устройств. Так, в магнитно-силовом микроскопе вместо немагнитного вольфрамового или кремниевого острия используется намагниченный никелевый или железный зонд. Когда вибрирующий зонд подводится к исследуемому образцу-магнетику, то сила, воздействующая на кончик острия, изменяет его резонансную частоту и, следовательно, амплитуду колебаний. Такой лазерно-силовой микроскоп позволяет исследовать магнитное поле с разрешением выше 25 нм. С его помощью изучают структуру магнитных битов информации на дисках и других магнитных носителях путем непосредственного контроля качества считывающей головки и запоминающей среды.