Сканирующая зондовая микроскопия

Опубликовано 17.07.2017
Виктор Быков   |   просмотров - 174,   комментариев - 0
Сканирующая зондовая микроскопия

В Сочи в Образовательном центре «Сириус» прошли лекции для школьников и встречи в тесном кругу с основателем и генеральным директором компании НТ-МДТ СИ, а в настоящий момент почетным президентом группы компаний НТ-МДТ Спектрум Инструментс, профессором МФТИ, доктором технических наук, президентом Нанотехнологического общества России Виктором Александровичем Быковым. Тема лекций – нанотехнологии и инструментарий нанотехнологий.

В частности, школьники узнали, что сканирующая зондовая микроскопия зародилась в 1966 году в группе национального института стандартов США под руководством Рассела Янга и начала развиваться как один из основных методов исследования наноструктур группой исследователей швейцарского отделения компании IBM, нобелевскими лауреатами 1986 года, Хельмутом Биннигом и Генрихом Рорером. Развитие метода стало возможным с появлением персональных компьютеров, как систем управления приборами, сбором и обработкой результатов. Первой исключительно важной, ключевой инновацией, предложенной группой Рассела Янга, стало использование пьезоэлектрической керамики для осуществления фиксации результатов взаимных перемещений чувствительного элемента прибора в виде острия и исследуемого образца друг относительно друга.

Г. Бинниг и Г. Рорер показали, что при помощи прибора, названного ими сканирующим туннельным микроскопом, принципиальная схема которого подобна топографинеру Янга, можно получать изображения отдельных атомов. Для управления прибором и обработки результатов начали использоваться персональные компьютеры. Прогресс в возможностях приборов и до сегодняшнего дня определяется мощностью используемых компьютеров.

В 1986 году этой же группой было предложено использование трубчатого пьезокерамического сканера. Для регистрации рельефа поверхности использовались гибкие балки с острой иглой на незакрепленном конце – кантилеверы, а приборы для регистрации рельефа были названы атомно-силовыми микроскопами (АСМ). В АСМ Биннига, Квайта и Гербера использовался туннельный датчик для регистрации нормального перемещения кантилевера, что крайне неудобно. Мощной инновацией, сделавшей АСМ реальностью, стала изобретенная Аммером и Майером оптико-позиционная схема для регистрации изменения углов наклона кантилевера, что при использовании в качестве регистрирующего элемента четырехсекционного фотодиода позволяет регистрировать как нормальные, так и латеральные силы взаимодействия зонда с исследуемой поверхностью образца.

Инновация, предотвращающая влияние капиллярного эффекта, рожденная в конце 1986 года как принцип действия, была предложена Биннигом, ее реальные возможности были показаны группой Ducker W.A., Cook R.F., Clarke D.R. и она была интегрирована в первые промышленные атомно-силовые микроскопы Верджилом Элингом под названием «теппинг» или полуконтактная мода.

В 1987 году группой исследователей было предложено изготавливать кантилеверы с использованием арсенала кремниевой технологии, где были уже разработаны приемы селективного травления как «канавок», так и острий с углом при вершине, определяемой свойствами кристалла. Толщину балок можно было задавать либо толщиной покрытия, либо глубиной легирования бором или фосфором. Возможность изготавливать кантилеверы методами «групповых» технологий с помощью микроэлектроники сделало их доступным расходным материалом и обеспечило возможность широкого распространения метода сканирования.

В конце восьмидесятых – начале девяностых годов ХХ века была показана возможность регистрации при помощи методов СЗМ (сканирующей зондовой микроскопии) ряда физических свойств поверхностей в различных условиях: от сверхвысокого вакуума до исследований на границе раздела «твердое тело-жидкость» – методов модификации поверхности (СЗМ литографии), которые в настоящее время интегрированы в большинстве СЗМ под несколько разными названиями, что не меняет физической сущности методов.

В конце 80-х годов прошлого века работы по созданию сканирующих зондовых микроскопов стартовали и в СССР. Была организована корпорация МДТ, в которой и были начаты работы по созданию сканирующих зондовых микроскопов с возможностями литографов, на которых можно было бы проводить как исследования, так и модификацию свойств молекулярных структур, в том числе и ЛБ-пленок (мономолекулярный слой на водной поверхности, переносимый на твердую подложку). К 1995 году были созданы и атомно-силовые микроскопы, а к 1997 – многомодовые приборы, на которых можно было проводить комплексные исследования поверхностных структур, не разрушая их в процессе исследования.

К настоящему времени сканирующая зондовая микроскопия вошла в состав классических методов исследования наноструктур и широко используется для качественной оценки физико-химических свойств и геометрических параметров поверхностей. Тем не менее, до сегодняшнего дня СЗМ относится к числу эксклюзивных методов, требующих как для получения данных, так и для их интерпретации специальных знаний и навыков, что сдерживает широкое распространение метода.

Кроме топографии, сканирующие зондовые микроскопы позволяют измерять целый ряд физических свойств:

- распределение поверхностного электрического потенциала;

- распределение поверхностной проводимости;

- распределение электрической емкости системы зонд-поверхность С (x,y), а также dC/dz, dC/dV;

- распределение магнитных сил в системе «зонд с заданной намагниченностью-поверхность»;

- распределение пьезоэлектрических свойств;

- распределение теплопроводности;

- распределение механических свойств (модуль Юнга, твердость);

- распределение адгезионных свойств.

Измерения можно производить на воздухе, а газовой атмосфере заданного состава, в жидкости.

Для развития современных технологий исключительно важной задачей является подготовка специалистов. Это процесс необходимо начинать со школьной скамьи. Видеть и иметь возможность активно воздействовать на молекулярные структуры – это резко меняет и усиливает глубину понимания физики, химии, биологии. Одна из разработок группы компаний НТ-МДТ Спектрум Инструментс для школьного и вузовского образования – НАНОЭДЬЮКАТОР, которым в настоящее время оборудованы десятки учебных классов России и мира. Этот прибор вошел в число лучших разработок мира по версии журнала Research & Developments в 2011 году.

Следует отметить, что сканирующие зондовые микроскопы – это приборы весьма чувствительные к внешним акустическим помехам, перепадам температуры, изменению влажности, что приводит к дрейфам зонда относительно образца, не контролируемым смещениям, сбоям во время сканирования. Для минимизации этих факторов необходимо эксплуатировать приборы внутри акустозащищенных боксов, оснащенных системой активной или пассивной виброзащиты, системой поддержания температуры и влажности высокой точности. Обеспечение всех этих условий в настоящее время не является сверхсложной и дорогостоящей задачей и решена для всего ряда сканирующих зондовых микроскопов НТ-МДТ, обеспечивая дрейф менее 10 нм/час, что позволяет получать атомарное разрешение даже при относительно малых частотах сканирования.

Мощное развитие получили комбайны сканирующих зондовых микроскопов и спектрометров, совмещающие методы высокоразрешающих измерений топографии и различных физических свойств поверхностных структур. Приборы позволяют получать информацию как о физических свойствах поверхностных структур, так и о качественном составе поверхности из данных люминесцентной спектроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния и ИК-спектроскопии высокого пространственного разрешения.

Последовательное инновационное развитие сканирующих зондовых микроскопов позволило перепозиционировать эти приборы, существенно снизить требования к пользователям от энтузиастов метода, до специалистов в зондовой микроскопии, а в настоящее время приборами последних разработок группы компаний NT-MDT Spectrum Instruments с успехом могут пользоваться и лаборанты, и инженеры для контроля технологических параметров процессов, и специалисты-материаловеды, цель которых получить хорошо интерпретируемую информацию о физических и физико-химических особенностях объекта.

НАНОМЕТР


Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!