Бесплатная техническая библиотека

Сканирующий зондовый микроскоп. История изобретения и производства

Справочник / История техники, технологии, предметов вокруг нас

 Комментарии к статье

Наиболее молодое и вместе с тем перспективное направление в исследовании свойств поверхности - сканирующая зондовая микроскопия. Зондовые микроскопы имеют рекордное разрешение - менее 0,1 нм. Они могут измерить взаимодействие между поверхностью и сканирующим ее микроскопическим острием - зондом - и выводят трехмерное изображение на экран компьютера.

Сканирующий зондовый микроскоп

Методы зондовой микроскопии позволяют не только видеть атомы и молекулы, но и воздействовать на них. При этом - что особенно важно - объекты могут изучаться не обязательно в вакууме (что обычно для электронных микроскопов), но и в различных газах и жидкостях.

Изобрели зондовый - сканирующий туннельный микроскоп в 1981 году сотрудники Исследовательского центра фирмы ИБМ Г. Биннинг и Х. Рорер (США). Через пять лет за это изобретение они были удостоены Нобелевской премии.

Биннинг и Рорер попытались сконструировать прибор для исследования участков поверхности размером менее 10 нм. Итог превзошел самые смелые ожидания: ученым удалось увидеть отдельные атомы, размер которых в поперечнике составляет лишь около одного нанометра. В основе работы сканирующего туннельного микроскопа лежит квантово-механическое явление, называемое туннельным эффектом. Очень тонкое металлическое острие - отрицательно заряженный зонд - подводится на близкое расстояние к образцу, тоже металлическому, заряженному положительно. В тот момент, когда расстояние между ними достигнет нескольких межатомных расстояний, электроны начнут свободно проходить через него - "туннелировать": через зазор потечет ток.

Очень важное значение для работы микроскопа имеет резкая зависимость силы туннельного тока от расстояния между острием и поверхностью образца. При уменьшении зазора всего на 0,1 нм ток возрастет примерно в 10 раз. Поэтому даже неровности размером с атом вызывают заметные колебания величины тока.

Принцип действия механической системы сканирующего зондового микроскопа

Чтобы получить изображение, зонд сканирует поверхность, а электронная система считывает величину тока. В зависимости от того, как эта величина меняется, острие либо опускается или поднимается. Таким образом, система поддерживает величину тока постоянной, а траектория движения острия повторяет рельеф поверхности, огибая возвышенности и углубления.

Острие перемещает пьезосканер, который представляет собой манипулятор из материала, способного изменяться под действием электрического напряжения. Пьезосканер чаще всего имеет форму трубки с несколькими электродами, которая удлиняется или изгибается, перемещая зонд по разным направлениям с точностью до тысячных долей нанометра.

Информация о движении острия преобразуется в изображение поверхности, которое строится по точкам на экране. Участки разной высоты для наглядности окрашиваются в различные цвета.

В идеале на конце острия зонда должен находиться один неподвижный атом. Если же на конце иглы случайно оказалось несколько выступов, изображение может двоиться, троиться. Для устранения дефекта иглу травят в кислоте, придавая ей нужную форму.

С помощью туннельного микроскопа удалось сделать ряд открытий. Например, обнаружили, что атомы на поверхности кристалла расположены не так, как внутри, и часто образуют сложные структуры.

С помощью туннельного микроскопа можно изучать лишь проводящие ток объекты. Однако он позволяет наблюдать и тонкие диэлектрики в виде пленки, когда их помещают на поверхность проводящего материала. И хотя этот эффект еще не нашел полного объяснения, тем не менее его с успехом применяют для изучения многих органических пленок и биологических объектов - белков, вирусов.

Возможности микроскопа велики. С помощью иглы микроскопа даже наносят рисунки на металлические пластины. Для этого используют в качестве "пишущего" материала отдельные атомы - их осаждают на поверхность или удаляют с нее. Таким образом в 1991 году сотрудники фирмы ИБМ написали атомами ксенона на поверхности никелевой пластины название своей фирмы - IBM. Букву "I" составили всего 9 атомов, а буквы "B" и "M" - 13 атомов каждую.

Следующим шаг в развитии сканирующей зондовой микроскопии сделали в 1986 году Биннинг, Квейт и Гербер. Они создали атомно-силовой микроскоп. Если в туннельном микроскопе решающую роль играет резкая зависимость туннельного тока от расстояния между зондом и образцом, то для атомно-силового микроскопа решающее значение имеет зависимость силы взаимодействия тел от расстояния между ними.

Зондом атомно-силового микроскопа служит миниатюрная упругая пластина - кантилевер. Причем один ее конец закреплен, на другом же конце сформировано зондирующее острие из твердого материала - кремния или нитрида кремния. При перемещении зонда силы взаимодействия между его атомами и неровной поверхностью образца будут изгибать пластину. Добившись такого перемещения зонда, когда прогиб остается постоянным, можно получить изображение профиля поверхности. Такой режим работы микроскопа, называющийся контактным, позволяет измерять с разрешением в доли нанометра не только рельеф, но и силу трения, упругость и вязкость исследуемого объекта.

Сканирование в контакте с образцом довольно часто приводит к его деформации и разрушению. Воздействие зонда на поверхность может быть полезным, например, при изготовлении микросхем. Однако зонд способен легко порвать тонкую полимерную пленку или повредить бактерию, вызвав ее гибель. Чтобы избежать этого, кантилевер приводят в резонансные колебания вблизи поверхности и регистрируют изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний, вызванных взаимодействием с поверхностью. Такой метод позволяет изучать живые микробы: колеблющаяся игла действует на бактерию, как легкий массаж, не причиняя вреда и позволяя наблюдать за ее движением, ростом и делением.

В 1987 году И. Мартин и К. Викрама-сингх (США) предложили в качестве зондирующего острия использовать намагниченную микроиглу. В результате появился магнитно-силовой микроскоп.

Такой микроскоп позволяет разглядеть отдельные магнитные области в материале - домены - размером до 10 нм. Его также применяют и для сверхплотной записи информации, формируя на поверхности пленки домены с помощью полей иглы и постоянного магнита. Подобная запись в сотни раз плотнее, чем на современных магнитных и оптических дисках.

На мировом рынке микромеханики, где заправляют такие гиганты, как ИБМ, "Хитачи", "Жиллетт", "Поляроид", "Олимпус", "Джойл", "Диджитал инструментс", нашлось место и для России. Все громче слышен голос маленькой фирмы МДТ из подмосковного Зеленограда.

"Давайте скопируем на пластину, в 10 раз меньшую человеческого волоса, наскальный рисунок, выполненный нашими далекими предками, - предлагает главный технолог Денис Шабратов. - Компьютер управляет "кистью", зондом - иглой длиной 15 микрон, диаметром в сотые доли микрона. Игла движется вдоль "полотна", и там, где его касается, появляется мазок размером с атом. Постепенно на экране дисплея возникает олень, за которым гонятся всадники".

МДТ единственная в стране фирма-изготовитель зондовых микроскопов и самих зондов. Она входит в четверку мировых лидеров. Изделия фирмы покупают в США, Японии, Европе.

А все началось с того, что Денис Шабратов и Аркадий Гологанов, молодые инженеры одного из оказавшихся в кризисе институтов Зеленограда, думая, как жить дальше, выбрали микромеханику. Они не без основания посчитали ее наиболее перспективным направлением.

"Мы не комплексовали, что придется соперничать с сильными конкурентами, - вспоминает Гологанов. - Конечно, наше оборудование уступает импортному, но, с другой стороны, это заставляет исхитряться, шевелить мозгами. А уж они-то у нас точно не хуже. И готовности пахать хоть отбавляй. Работали сутками, без выходных. Самым трудным оказалось даже не изготовить суперминиатюрный зонд, а продать. Знаем, что наш лучший в мире, кричим о нем по Интернету, засыпаем клиентов факсами, словом, бьем ножками, как та лягушка, - ноль внимания".

Узнав, что один из лидеров по производству микроскопов - японская фирм "Джойл" ищет иглы очень сложной формы, они поняли, что это их шанс. Заказ стоил много сил и нервов, а получили гроши. Но деньги не были главным - теперь они могли во весь голос объявить: знаменитый "Джойл" - наш заказчик. Подобным образом почти полтора года МДТ бесплатно изготавливала специальные зонды для Национального института стандартов и технологий США. И новое громкое имя появилось в списке клиентов.

"Сейчас поток заказов таков, что мы уже не можем удовлетворить всех желающих, - говорит Шабратов. - Увы, это специфика России. Опыт показал, у нас имеет смысл выпускать столь наукоемкую продукцию малыми сериями, массовое же производство - налаживать за рубежом, где нет срывов поставок, низкого их качества, необязательности смежников".

Возникновение сканирующей зондовой микроскопии удачно совпало с началом бурного развития компьютерной техники, открывающей новые возможности использования зондовых микроскопов. В 1998 году в Центре перспективных технологий (Москва) создана модель сканирующего зондового микроскопа "ФемтоСкан-001", которым управляют также через Интернет. Теперь в любой точке земного шара исследователь сможет работать на микроскопе, а каждый желающий - "заглянуть" в микромир, не отходя от компьютера.

Сегодня подобные микроскопы используются только в научных исследованиях. С их помощью совершаются наиболее сенсационные открытия в генетике и медицине, создаются материалы с удивительными свойствами. Однако уже в ближайшее время ожидается прорыв, и прежде всего, в медицине и микроэлектронике. Появятся микророботы, доставляющие по сосудам лекарства непосредственно к больным органам, будут созданы миниатюрные суперкомпьютеры.

Автор: Мусский С.А.

 Рекомендуем интересные статьи раздела История техники, технологии, предметов вокруг нас:

▪ Ускоритель заряженных частиц

▪ Гидравлический пресс

▪ Электрическая бритва

Смотрите другие статьи раздела История техники, технологии, предметов вокруг нас.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Ферроэлектрики научились выдерживать более 10 миллиардов циклов перезаписи 11.10.2026

Энергонезависимая память должна не только быстро записывать и сохранять информацию без постоянного питания, но и выдерживать огромное количество циклов перезаписи. Одним из перспективных вариантов такой технологии считаются ферроэлектрические материалы, однако их практическое применение долгое время ограничивалось сравнительно быстрым разрушением. Исследователям удалось установить механизм этого процесса на атомном уровне и предложить способ, который значительно увеличивает срок службы таких материалов. Работу выполнила группа ученых из Университета электронной науки и техники Сианя (Xidian University) совместно с коллегами из Гонконгского университета и Фуданского университета. Особый интерес специалистов вызвали ферроэлектрики со структурой вюрцита, в частности нитрид алюминия-скандия (AlScN). Эти материалы способны сохранять информацию благодаря изменению направления электрической поляризации на атомном уровне и хорошо совместимы с современными технологиями производства микросхем ...>>

Электромобиль VENTRA с системой очистки воздуха 11.10.2026

Даже автомобили без двигателя внутреннего сгорания не являются полностью безвредными для окружающей среды. При движении любой автомобиль изнашивает шины и тормозные элементы, в результате чего в воздух и на дорожное покрытие попадают мельчайшие частицы. Студенты Эйндховенского технологического университета решили обратить внимание именно на этот мало заметный источник загрязнения и создали концептуальный электромобиль VENTRA, способный собирать часть таких загрязняющих веществ непосредственно во время движения. Проект разработала команда TU/ecomotive, которая оснастила VENTRA специальной системой улавливания частиц, образующихся при износе шин и торможении. Авторы концепта считают, что переход на электрическую тягу сам по себе не решает проблему автомобильных выбросов. Более тяжелые электромобили дополнительно нагружают шины, а их электродвигатели способны обеспечивать очень быстрое ускорение, что также может способствовать повышенному износу резины. Собранные около колес частицы си ...>>

Лазерное переключение магнитов 10.10.2026

Технологии хранения данных постоянно стремятся уменьшить размеры элементов памяти и одновременно увеличить скорость записи информации. Один из возможных путей связан с использованием света, который способен переносить энергию с огромной скоростью и воздействовать на очень небольшие области материала. Инженеры Университета Калифорнии в Сан-Диего (UC San Diego) продемонстрировали необычный способ управления магнитным состоянием вещества, при котором внешнее магнитное поле вообще не требуется. В обычных жестких дисках информация записывается в виде последовательности крошечных магнитных областей, соответствующих значениям 1 и 0. Для изменения их состояния обычно необходимо внешнее магнитное поле, однако такой способ требует значительных энергетических затрат и ограничивает скорость записи. Исследователи UC San Diego предложили альтернативу - так называемое оптическое переключение, при котором магнитное состояние изменяется под воздействием лазерного излучения. По оценкам специалистов, ...>>

Случайная новость из Архива Волчья стая из дронов 27.05.2022 В США военные придумали и испытали новую тактику использования боевых дронов. Испытания прошли на полигоне Дагвей неподалеку от Солт-Лейк-Сити, штат Юта, в рамках учений EDGE22, в которых приняли участие межфункциональная группа Future Vertical Lift и почти 20 подразделений и организаций со всего мира. Военные уже второй год собираются, чтобы опробовать новые тактики и технологии, связанные с устройствами вертикального взлета. Одной из перспективных новых тактик стала так называемая "волчья стая", которая призвана заменить тактику "пчелиного роя" при управлении дронами. Во время эксперимента БПЛА организовали в четыре "партии" по семь штук в каждой. Беспилотники оборудовали для ведения разведки, поиска, идентификации и передачи информации о позициях противника. Тактика "пчелиного роя" предусматривает запуск множества дронов с одинаковой задачей - это требует высокой пропускной способности сети и порой приводит к перегрузке автономных алгоритмов. В случае с "волчьей стаей" аппараты запускаются не одновременно и выполняют разные функции, что повышает их эффективность. "Пчелиные рои" - это просто большое количество дронов, предназначенных для того, чтобы сокрушить и сбить с толку вражескую систему. Техника волчьей стаи запускается волнами, когда участники выполняют различные действия, такие как обнаружение и идентификация вражеских систем, определение их местонахождения, чтобы сообщить об этом командирам в полевых условиях, выведение из строя вражеской системы, а затем оценка поля боя для обеспечения выполнения миссии", - объяснила представитель команды Future Vertical Lift Лиза Фергюсон. Во время испытаний на EDGE22 использовали рой из американских беспилотников, называемых Air Launched Effects (ALE), которые призваны автономно или полуавтономно доставлять грузы военным. Кроме того, запускали дроны Аir-Launched Tube-Integrated 600 (ALTIUS 600) от компании Area-I и Coyote от компании Raytheon. Обе системы запускаются с самолета или с земли для наблюдения, радиоэлектронной борьбы или атаки противника ударными снарядами. Результаты испытаний помогут улучшить роевое поведение дронов в будущих демонстрациях. Команда из 45 аналитиков собирает данные и анализирует тесты, чтобы представить результаты этим летом.

Другие интересные новости:

▪ Акустический левитатор

▪ Смартфон заряжается 10 минут и работает целый день

▪ Алмаз размером с планету

▪ Корпус Gigabyte Aorus C500 Glass

▪ Смартфон HTC One max

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электропитание. Подборка статей

▪ статья Уймитесь, волнения страсти. Крылатое выражение

▪ статья Что такое лишайник? Подробный ответ

▪ статья Поводковый узел на основе змеиного узла. Советы туристу

▪ статья Измерение параметров Тиля-Смолла в домашних условиях. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Контроллер по минимальному и максимальному напряжению. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026