Сергей Анатольевич Мусский 100 великих чудес техники 100 великих SpellCheck: Chububu, 2007




НазваниеСергей Анатольевич Мусский 100 великих чудес техники 100 великих SpellCheck: Chububu, 2007
страница7/52
Дата22.11.2012
Размер7.27 Mb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   52

Сканирующий зондовый микроскоп


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.

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.

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.


Микроскопы на поверхностных плазмонах


Обычно с помощью видимого света наблюдать объекты ангстремной толщины нельзя. Однако существует микроскоп, позволяющий сделать это. Предел разрешающей силе микроскопа устанавливает явление дифракции света. Дифракция – огибание волнами препятствий. В более широком смысле – любое отклонение при распространении волн от законов геометрической оптики. В случае с микроскопом дифракция определяет то минимальное расстояние между двумя светящимися точками, при котором мы их увидели бы в микроскоп как две, а не одну.

После небольших вычислений оказывается, что минимальное расстояние, на котором могут находиться две светящиеся точки, будет порядка половины длины волны света, на которой они излучают. Так, для излучения на длине волны 630 нм можно рассчитывать на разрешение объектов размером не более 315 нм.

Но на явление дифракции можно взглянуть с другой стороны. Известно, что свет – это поток фотонов, квантовых частиц. Именно квантовая механика поможет нам понять, как получить разрешение, намного превосходящее дифракционный предел.

Дело в том, что соотношение неопределенности связывает два вектора импульс частицы и ее радиус вектор. Как пишет С.И. Валянский в «Соросовском образовательном журнале»: «Теперь если задаться неопределенностью в определении импульса, то тем самым мы задали ту неопределенность в определение координаты квантового объекта, уменьшить которую мы уже не можем. Это задает нам некоторый объем в координатном пространстве. Пусть это будет некоторый кубик известного объема. Но никто не запрещает нам его деформировать, не изменяя его объем и не нарушая тем самым общего соотношения неопределенности. А деформируем мы этот кубик в некоторый тонкий блин, имеющий большую площадь, но маленькую толщину.

Если квант будет двигаться в направлении, параллельном плоскости этого блина, то в силу большой неопределенности его локализации в плоскости блина можно получить достаточно большую определенность в проекции импульса на эту плоскость. Вместе с тем мы получаем достаточно высокую локализацию кванта в перпендикулярном к этой плоскости направлении, но огромную неопределенность в проекции импульса на это направление.

Таким образом, точность определения направления движения кванта в плоскости, параллельной плоскости блина, напрямую связана с толщиной этого блина. Иначе говоря, чем в более тонкий блин раскатаем наш объем, тем с большей точностью мы сможем измерять направление движения кванта в плоскости блина. Итак, мы, оказывается, можем точно определять одну из проекций радиус вектора и одну из проекций импульса. Только эти проекции взаимно перпендикулярны».

Но как теорию реализовать на практике? Ведь, чтобы работать с большими потоками квантов, локализованных в тонком слое, надо, чтобы они достаточно хорошо распространялись в этом тонком слое, поскольку мы хотим сделать область их локализации в направлении, перпендикулярном их движению, нанометровых размеров.

Вот здесь на помощь и приходят плазмоны. Плазмоны – это квазичастицы (кванты), возникающие в результате колебаний электронов проводимости относительно ионов. Для твердых тел, например металлов, это колебания электронов проводимости относительно ионного остова кристалла.

Квазичастицами они названы для того, чтобы отличить от настоящих квантовых частиц – электронов, протонов, нейтронов и т д. Их различие заключается в том, что если нагреть металл так, чтобы он превратился в газ исходно составлявших его атомов, то там никаких плазмонов не будет. Они существуют только тогда, когда есть металл как целое.

Нас в дальнейшем будут интересовать кванты электромагнитного поля, связанные с осцилляциями поверхностных зарядов при отсутствии возбуждающего поля. По аналогии с обычными плазмонами вводят квазичастицы – поверхностные плазмоны (ПП). Область их локализации находится вблизи поверхности раздела, где локализованы поверхностные заряды.

В 1902 году американский оптик Роберт Вуд обнаружил изменение интенсивности пучка света, дифрагирующего на решетке. Это было первое экспериментальное наблюдение поверхностных плазмонов в оптическом диапазоне. Но понято это было только в 1941 году, когда итальянскому физику теоретику Уго Фано удалось объяснить аномалии Вуда. И только в конце 1960 х годов Андреас Отто применил идеи, развитые в работах немецкого физика, к электромагнитным волнам оптического диапазона. Он сформулировал условия, при которых можно возбуждать ПП волны на гладких поверхностях, и указал метод их возбуждения в оптическом диапазоне длин волн. Тем самым был открыт путь к экспериментальному исследованию поверхностных плазмонов в оптическим диапазоне.

В 1971 году, через три года после выхода работы Отто, Эрвин Кречманн предложил еще одну схему возбуждения поверхностных плазмонов в оптическом диапазоне. В геометрии Кречманна тонкая проводящая пленка, на поверхности которой возбуждаются поверхностные плазмоны, наносится прямо на призму, с помощью которой они возбуждаются.

В 1988 году Вольфганг Кноль и Бенно Ротенхойслер предложили использовать поверхностные плазмоны для микроскопии. Они продемонстрировали рабочую модель микроскопа, в котором поверхностные плазмоны возбуждались по схеме Кречманна, для исследования специально сделанной сетки с известными параметрами. Результаты оказались столь впечатляющими, что вскоре этот новый прибор стал применяться в физике, химии, биологии и технике. Многие исследователи обратились к этому прибору из за простоты его конструкции и высокого разрешения.

В основу конструкции поверхностно плазмонного микроскопа положена схема возбуждения поверхностных плазмонов по методу Кречманна.

С.И. Валянский: «На гипотенузную грань прямоугольной треугольной призмы наносится тонкая металлическая пленка. Ее освещают со стороны призмы монохроматическим линейно поляризованным светом с расходимостью на порядок меньше, чем полуширина резонансной кривой для данной пленки. Причем вектор поляризации лежит в плоскости падения света – так называемый P поляризованный свет. Отраженный от пленки свет попадает на фотоматрицу, сигнал с которой обрабатывается компьютером. Мы помним, что разрешение в плоскости пленки у нас несколько микрон. Поэтому между призмой и фотоматрицей на пути света ставится телескоп, расширяющий пучок так, чтобы свет, идущий с микронной площадки пленки, захватывал несколько элементов фотоматрицы.

Это одна из простых схем поверхностно плазмонного микроскопа, но далеко не единственная. Существует большое количество их модификаций, удобных для решения конкретных задач.

Как же работает поверхностно плазмонный микроскоп? Условия резонансного возбуждения поверхностных плазмонов зависят не только от свойств металлической пленки, на поверхности которой они возбуждаются, но и от диэлектрических свойств среды, с которой эта пленка граничит. Любую тонкую пленку на поверхности металла можно представить как локальное изменение диэлектрических свойств внешней среды. А это сразу сказывается на условии резонансного возбуждения в этом месте поверхностных плазмонов. Иначе говоря, резонансная кривая смещается в этом месте относительно кривой для чистой пленки в область больших углов.

Значит, если настроить наш микроскоп на угол, соответствующий оптимальному возбуждению поверхностных плазмонов для чистой металлической пленки, то в тех местах, где будет находиться измеряемый объект, интенсивность отраженного света будет больше, и тем больше, чем толще этот фрагмент».

Микроскоп реагирует не на толщину, а на изменения параметра, зависящего от диэлектрической проницаемости и толщины измеряемого объекта. Главный элемент всего прибора – тонкая металлическая пленка. От правильного выбора ее толщины и качества зависит разрешение всего устройства.

Возбуждение поверхностных плазмонов происходит не при каком то определенном угле падения, а при наборе углов. Если вспомнить, что набор углов соответствует набору импульсов фотонов, то все станет понятным. Причина этого – конечное время жизни поверхностных плазмонов.

Разрешение микроскопа будет тем лучше, чем на большее расстояние сумеет распространиться ПП. Если скорость распространения его фиксирована, то за меньшее время жизни он распространится на меньшее расстояние. И ясно, что из за поглощения и рассеяния на шероховатостях металлической пленки длина пробега может только уменьшиться.

Однако не только поверхность пленки ответственна за время жизни поверхностных плазмонов, но и ее объемные свойства. Диэлектрическая проницаемость металла имеет как действительную, так и мнимую часть. Из за наличия последней происходит поглощение электромагнитной энергии и соответственно уменьшение времени жизни поверхностных плазмонов. Поэтому для увеличения разрешения микроскопа надо брать металл с минимальной величиной мнимой диэлектрической проницаемости. Таким металлом является серебро.

Неблагоприятным аспектом, однако, является то, что серебряная пленка быстро деградирует, окисляясь примерно за неделю. Но эту трудность удалось преодолеть, разработав метод защиты поверхности серебряной пленки.

Если металлическая пленка будет тонкой, то близкая граница призмы приведет к тому, что поверхностным плазмонам будет выгоднее распасться и преобразоваться в объемное излучение, чем оставаться поверхностным возбуждением, то есть время жизни его будет невелико. По той же причине доля энергии, которая идет на генерацию поверхностных плазмонов, будет невелика.

Очевидно, если толщина металлической пленки будет слишком большой, то практически вся энергия возбуждающей электромагнитной волны будет поглощаться в объеме пленки, не доходя до ее поверхности. И пленка будет работать как зеркало. Естественно, есть оптимальная толщина, которую и надо определить.

Данный эффект достаточно широко применяется в качестве метода исследования различных переходных слоев и тонких пленок. Это основная область его применения. Микроскоп и конструировали первоначально для наблюдения за организацией мономолекулярных ориентированных пленок в момент их формирования на поверхности жидкости и при переносе их на твердые подложки.

Другая область применения – биология, прямое наблюдение биологических объектов. В этом случае важно не столько высокое разрешение микроскопа по толщине, сколько высокое разрешение объектов, внутренняя структура которых определяется элементами с малыми изменениями в диэлектрической проницаемости.

Обычно биологи для наблюдения своих объектов вводят контрастную жидкость, после чего их можно наблюдать. Плазменный микроскоп позволяет наблюдать их без этих ухищрений. При помощи подобного микроскопа можно, например, различить в водной среде границу между цитоплазмой и клеточной стенкой.

Микроскоп – сенсор на основе ПП резонанса – можно использовать для снятия кинетики протекания химических и биохимических реакций, контролировать размер образующихся на поверхности комплексов.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   52

Похожие:

Сергей Анатольевич Мусский 100 великих чудес техники 100 великих SpellCheck: Chububu, 2007 iconСергей Анатольевич Мусский 100 великих чудес техники 100 великих
Лучшие достижения человеческой цивилизации могут вызывать только восхищение могуществом разума человека и искусными деяниями человеческих...
Сергей Анатольевич Мусский 100 великих чудес техники 100 великих SpellCheck: Chububu, 2007 iconСергей Анатольевич Мусский 100 великих нобелевских лауреатов 100 великих
Лев Толстой, Марина Цветаева, Федерико Гарсиа Лорка. Крайне мало в списках лауреатов выдающихся советских и российских ученых. Однако...
Сергей Анатольевич Мусский 100 великих чудес техники 100 великих SpellCheck: Chububu, 2007 iconИгорь Анатольевич Мусский 100 великих заговоров и переворотов 100 великих
Щедро раздаются популистские обещания райской жизни. Но, как правило, добившись цели, власть забывает о своих обещаниях. Главное...
Сергей Анатольевич Мусский 100 великих чудес техники 100 великих SpellCheck: Chububu, 2007 icon100 великих операций спецслужб м.: "Вече", 2005isbn 5-9533-0732-2Scan, ocr: ???, SpellCheck: Chububu, 2007

Сергей Анатольевич Мусский 100 великих чудес техники 100 великих SpellCheck: Chububu, 2007 iconИгорь Анатольевич Мусский 100 великих отечественных кинофильмов 100 великих 0
Появление шедевров М. Калатозова, Г. Чухрая, М. Хуциева, С. Бондарчука, В. Меньшова, Н. Михалкова способствовало росту престижа отечественного...
Сергей Анатольевич Мусский 100 великих чудес техники 100 великих SpellCheck: Chububu, 2007 icon100 великих вокалистов 100 великих «100 великих вокалистов»: Вече; 2004
Новая книга из серии «100 великих» посвящена профессиональным вокалистам: прежде всего исполнителям оперной музыки последних трех...
Сергей Анатольевич Мусский 100 великих чудес техники 100 великих SpellCheck: Chububu, 2007 icon1. Вагнер, Бертиль Бертильевич (1941 -). Сто великих чудес природы / Б. Б. Вагнер. Москва : Вече, 2011. 431 с ил.; 22 см. (100 великих). Загл обл
Вагнер, Бертиль Бертильевич (1941 -). Сто великих чудес природы / Б. Б. Вагнер. Москва : Вече, 2011. 431 с ил.; 22 см. (100 великих)....
Сергей Анатольевич Мусский 100 великих чудес техники 100 великих SpellCheck: Chububu, 2007 iconМихаил Юрьевич Курушин 100 великих военных тайн 100 великих
...
Сергей Анатольевич Мусский 100 великих чудес техники 100 великих SpellCheck: Chububu, 2007 iconМусский Сергей Анатольевич 100 великих нобелевских лауреатов
Лев Толстой, Марина Цветаева, Федерико Гарсиа Лорка. Крайне мало в списках лауреатов выдающихся советских и российских ученых. Однако...
Сергей Анатольевич Мусский 100 великих чудес техники 100 великих SpellCheck: Chububu, 2007 iconНовые поступления литературы за первое полугодие 2009 года. 100 великих путешественников
И. А. Муромов; ред. Н. Б. Сергеева. М. Вече, 2007. 426 с ил. (100 великих). Isbn 978-5-9533-2374-1 : 204. 00 р
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница