Микроскопия вчера, сегодня, завтра

Файл : 2391-1.rtf (размер : 2,049,282 байт)

Микроскопия вчера, сегодня, завтра

В.А.Исаакян, г. Москва

Взгляд в будущее

Какой будет рентгеновская микроскопия в будущем? Скорее всего, основным направлением в этой области станет повышение разрешающей способности. Ряд ведущихся в настоящее время экспериментов дает основание полагать, что с помощью специальных приемов его можно будет довести до 10–20

Обратимся к событиям 40-летней давности. В 1956 г. сотрудник картографической службы военного ведомства США Дж.О’Кифи предложил конструкцию микроскопа, в котором свет должен был выходить из крошечного отвестия в непрозрачном экране и освещать объект, расположенный очень близко от экрана. Свет, прошедший через образец или отраженный от него обратно в отверстие, должен был регистрироваться в процессе возвратно-поступательного движения (сканирования) образца. О’Кифи назвал свой метод растровой микроскопией ближнего поля и указал, что разрешение такого микроскопа ограничивается не длиной волны света, а только размером отверстия. Теоретически такое устройство могло бы давать изображение деталей размером меньше, чем половина длины волны. Однако в то время отсутствовали прецизионные устройства позиционирования и перемещения и идея не могла быть реализованной полностью.

В 1972 г. Р.Янг из Национального бюро стандартов США сумел осуществить перемещение (и позиционирование) объектов в трех направлениях с точностью до 1 нм, использовав перемещающие устройства на базе пьезоэлектриков (о них мы уже говорили в разделе, где описывался ультразвуковой микроскоп). Пьезоэлектрические управляющие устройства открыли путь к созданию одного из современных вариантов микроскопа ближнего поля – растрового, или сканирующего, туннельного микроскопа, изобретатели которого, Г. Бинниг и Г. Рорер, из компании IBM (США) были удостоены Нобелевской премии в 1986 г.

В сканирующем туннельном микроскопе роль отверстия играет тончайшее металлическое (как правило, вольфрамовое) острие, или зонд, кончик которого может представлять собой один-единственный атом и иметь размер в поперечнике около 0,2 нм. Пьезоэлектрические устройства подводят зонд на расстояние 1–2 нм от поверхности исследуемого электропроводящего объекта – настолько близко, что электронные облака на кончике зонда и ближайшего к нему атома объекта перекрываются. Если теперь между объектом и зондом создать небольшую разность потенциалов, электроны будут «перескакивать» через зазор (или, как говорят физики, туннелировать), и появится слабый туннельный ток. Величина этого тока чрезвычайно чувствительна к ширине зазора: обычно она уменьшается в 10 раз при увеличении зазора на 0,1 нм.

Пьезоэлектрические двухкоординатные манипуляторы перемещают зонд вдоль поверхности образца, формируя растр наподобие того, как это делается в электронном микроскопе. При этом параллельные строки растра отстоят друг от друга на доли нанометра. Если бы кончик зонда не повторял профиль поверхности, то туннельный ток менялся бы в очень широких пределах, увеличиваясь в те моменты, когда зонд проходит над выпуклостями (например, над атомами на поверхности), и уменьшаясь до ничтожно малых значений при прохождении зазоров между атомами. Однако зонд заставляют двигаться верх и вниз в соответствии с рельефом поверхности. Осуществляется это с помощью механизма обратной связи, который улавливает начинающееся изменение туннельного тока и изменяет напряжение, прикладываемое к третьему манипулятору, который двигает зонд в направлении, перпендикулярном поверхности, таким образом, чтобы величина туннельного тока не менялась, т.е. чтобы зазор между зондом и объектом оставался постоянным.

По изменению напряжения на третьем зонде компьютер строит трехмерное изображение поверхности. При этом разрешающая способность микроскопа достигает атомного уровня, т.е. могут быть видны отдельные атомы, размеры которых составляют 0,2 нм. Блок-схема сканирующего туннельного микроскопа показана на рис. 14.

Рассказывая о возможностях сканирующего туннельного микроскопа, нельзя не отметить, что они выходят далеко за рамки чисто микроскопических задач. Например, с его помощью можно, точно прицелившись зондом и приложив нужное напряжение, как бы «рассечь» молекулу на части, оторвав от нее несколько атомов, и исследовать ее электронные свойства. Американские исследователи экспериментально показали, что, прикладывая к зонду определенное напряжение, можно заставить атомы притягиваться к острию или двигаться вдоль поверхности. Чрезвычайно интересные опыты провели экспериментаторы фирмы IBM, написав с помощью атомов инертного газа ксенона на поверхности никеля название своей фирмы.