Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел
Например, сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) марки NanoEducator позволяет реализовать возможности двух основных модификаций сканирующего зондового микроскопа: сканирующий туннельный микроскоп и атомный силовой микроскоп. Он может использоваться не только в учебных, но и в научных целях при исследованиях в области физики и технологии микро-и наноструктур, материаловедения, катализа, физики и химии полимеров, биофизики и др.
Универсальный зондовый датчик установки, изготовляемый из вольфрамовой проволоки, имеет возможность восстановления острия при износе или повреждении кончика зонда.
Для восстановления острия зондов используется специальное устройство травления (УТИ), позволяющее методом электрохимического травления получать зонды с радиусом закругления до 0,2 мкм.
Наличие методик АСМ и СТМ позволяет проводить исследования как проводящих, так и диэлектрических образцов:
• биологических объектов, включая ДНК;
• накопителей информации (CD, DVD и матриц для их изготовления);
• микро– и наноструктур поверхности;
• оптоэлектронных материалов и др.
Благодаря компактности оборудования, относительной доступности методов, а также отсутствию жестких требований к образцу и окружающей среде методы применения наноинденторов при СЗМ получают все более широкое распространение. Они позволяют приблизиться к условиям, возникающим в реальных микро– и наноконтактах, и смоделировать контролируемые условия элементарных нанопроцессов в исследуемых поверхностях, нано– и микрообъектах.
Следует отметить, что отечественное нанотехнологическое оборудование (например, от группы компаний НТ-МДТ) не только не уступает зарубежным аналогам, но и в ряде случаев превосходит его. В 2009 году автоматизированный зондовый микроскоп SOLVER Next (рис. 38) был удостоен престижной международной премии R&D 100 Award от американского журнала Research & Development Magazine.
Коммерческий сканирующий микроскоп SOLVER Next отличается от конкурентов мощным контроллером последнего поколения, который вместе с уникальными алгоритмами программного обеспечения обеспечивает высокую скорость сканирования (обработки данных) – до 40 Гц.
Премия R&D 100 Award в разные годы присуждалась таким устройствам, как галогенная лампа (1974), факс-машина (1975), ЖК-дисплей (1980), принтер (1986), телевидение высокого разрешения (1998) и др. В 2006 году ее удостоилась еще одна разработка ЗАО «НТ-МДТ» – нанолаборатория Ntegra Spectra (как самая перспективная технологическая разработка).
Рис. 38. Зондовый микроскоп SOLVER Next – победитель американского конкурса R&D 100 Award
Установка Ntegra Spectra – это комбинация (интеграция) СЗМ с конфокальной микроскопией/спектроскопией люминесценции и комбинационного рассеяния, позволяющая получать изображения с разрешением в плоскости до 50 нм.
Нанолаборатория имеет возможность работы в режиме регистрации пространственного трехмерного распределения спектров люминесценции и комбинационного рассеяния света, а также в режимах наноиндентации, наноманипуляции и нанолитографии.
Поставщиком кантилеверов для СЗМ-микроскопов фирмы ЗАО «НТ-МДТ» является также отечественное предприятие ФГУП «Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф. В. Лукина» – один из ведущих институтов отечественной микроэлектроники, разработчик и производитель многих микромеханических электронных компонентов для сканирующей зондовой микроскопии.
Отдельное направление исследований составляют методы, при которых зонд сканирующего микроскопа является наноиндентором. С его помощью исследуемые поверхности подвергаются многократной нагрузке одной и той же области или нанесению наноцарапин. При этом можно моделировать процессы износа и усталости в приповерхностных слоях, изучать фазовые переходы, индуцированные высоким гидростатическим давлением под индентором, характеристики материала, зависящие от времени, а также коэффициенты скоростной чувствительности механических свойств на стадии погружения и вязкоупругого восстановления отпечатка после снятия разгрузки.
Данными методами можно оценивать пористость материалов, величину и распределение внутренних напряжений, толщину и механические свойства тонких слоев и покрытий, исследовать структуру многофазных материалов, определять модули упругости, скорость звука, анизотропию механических свойств и т. д.
Обычно, кроме нанотвердости, определяют степень адгезии, модуль Юнга, плотность, однородность. К настоящему времени рекордными, по-видимому, являются измерения, проведенные на пленках толщиной в единицы нанометров.
С помощью наноиндентора проводят также исследования электрических токов и химических реакций в малой области поверхности, расположенной близко к атомарному острию зонда. В перспективе такой способ повлечет за собой развитие наноэлектроники нового поколения (так называемой одноэлектроники, то есть приборов, управляемых одним электроном) и нанолитографии. Нанолитография – это высокоразрешающая технология локального химического модифицирования поверхности для получения сверхвысокой плотности элементов на кремниевой подложке, записи информации и т. п.
На практике достаточно распространен и часто применяется метод электронной оже-спектроскопии (Auger spectroscopy, AES). Электронная оже-спектроскопия – это раздел спектроскопии, изучающий энергетические спектры оже-электронов, которые названы в честь их первооткрывателя, французского физика Пьера Оже (Pierre Auger), и возникают при облучении исследуемого вещества электронным пучком. Спектры оже-электронов широко используются для определения элементного состава газов и поверхности твердых тел, изучения электронного строения и химического состояния атомов в пробе.
Оже-эффект заключается в том, что под действием ионизирующего излучения на одном из внутренних электронных уровней (например, ^-уровне) атома образуется вакансия, на которую переходит электрон с более высокого уровня (например, L^-подуровня). Возникший при переходе электрона избыток энергии может привести к испусканию рентгеновского фотона (излучательный переход) или выбрасыванию еще одного электрона (безызлучательный переход). Этот электрон называют оже-электроном.
Оже-эффект наблюдается у всех элементов периодической системы, начиная с лития, причем вероятность его проявления для легких элементов достигает 0,99 и убывает с увеличением порядкового номера элемента. Спектры оже-электронов регистрируют с помощью оже-спектрометров, дающих возможность получать энергетические спектры в виде зависимостей N[E]-E и [dN(E)/dE]-E, где N(E) – выход (или интенсивность тока) оже-электронов, равный числу оже-электронов, испускаемых исследуемым объектом в единицу времени.По спектрам оже-электронов проводится качественный и количественный элементный анализ пробы. Для этого пользуются спектрами в координатах [dN(E)/dE]-E, которые обеспечивают более высокую чувствительность и точность анализа. Элемент, присутствующий в пробе, идентифицируют по значению кинетической энергии Е оже-электронов, поскольку эта величина зависит только от энергии связи электронов на электронных уровнях и, следовательно, определяется природой атомов.
В настоящее время известно достаточно много эффективных методов исследования поверхностей и объектов на наноуровне.
Среди них не только рассмотренные выше способы в различном исполнении, которые основаны на регистрации электронов, например, дифракция электронов и полевые методы (полевая электронная и ионная спектроскопия), рентгеновская фотоэлектронная и ультрафиолетовая электронная спектроскопия и оже-спектроскопия, но и специфические методы, базирующиеся на дифракции рентгеновского синхротропного излучения, рентгеновская спектроскопия поглощения (EXAFS, XANS, NEXAFS), мессбауровская спектроскопия, методы ядерного магнитного резонанса и электронного парамагнитного резонанса.
Только описание принципов исследования и специального оборудования может занять несколько больших книг, поэтому мы не будем утруждать читателя этой специальной информацией.
Основные свойства наноструктур
Multum in parvo (многое в малом).
Латинская пословица
Первым и самым главным признаком наночастиц, несомненно, является их геометрический размер – протяженность не более 100 нм хотя бы в одном измерении. Именно с таких размеров может наблюдаться качественное изменение свойств наночастиц по сравнению с макрочастицами того же самого вещества. Например, нанонить паутины способна надежно удерживать огромных по сравнению с ее толщиной насекомых.
