История создания сканирующего туннельного микроскопа (СТМ)

Наночастицы имеют размеры в пределах от 1 до 100 нм. Для их визуального наблюдения необходимы соответствующие инструментальные средства. Оптические микроскопы для этого не годятся, так как их разрешающая способность ограничена дифракцией света, что не позволяет «разглядеть» объекты с размерами, соизмеримыми с половиной длины волны освещаемого объект излучения (для видимого света диапазон длин волн составляет 380 – 760 нм).

Существенного повышения разрешения удалось достичь в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ), который в начале 30-х годов прошлого века разработали немецкие инженеры Э. Руска и М. Кнолл. Упрощенная схема ПЭМ представлена на рис. 1.28. В нем вместо оптического излучения использовался поток электронов, которые, так же как и свет, обладают волновыми свойствами. Конструктивно оптический и электронный микроскопы имеют много общего. В том и другом имеются источники излучения (свет или пучок электронов), фокусирующая система и устройство регистрации излучения – детектор. В ПЭМ в качестве источника электронов используется электронная пушка, в качестве детектора – люминесцентный экран или ПЗС-матрица, для фокусировки пучка электронов применяются специальные электромагнитные линзы. Основным недостатком ПЭМ является жесткие требования к толщине образцов. Для большинства материалов толщина образцов должна быть меньше 1 мкм, что обусловлено сильным поглощением электронов при прохождении их через образец. В настоящее время с помощью ПЭМ можно добиться увеличения в 90 миллионов раз и добиться пространственного разрешения на уровне 0,06 нм, что меньше размера большинства атомов.

Рис. 1.28. Упрощенная схема просвечивающего электронного микроскопа

Визуально наблюдать отдельные атомы можно в полевом ионном микроскопе. Впервые это удалось в 1951 году Э. Мюллеру. В изобретенном им приборе игольчатый образец, обычно изготавливаемый из тугоплавкого металла типа вольфрама, располагается в вакуумной камере напротив флуоресцирующего экрана (рис. 1.29). Камера заполняется инертным газом (обычно это гелий или аргон) и после приложения к острию высокого положительного напряжения вблизи наиболее выступающих участков поверхности образца происходит полевая ионизация атомов газа за счет туннелирования электронов с их валентных оболочек в образец. Образовавшиеся ионы ускоряются этим же полем и бомбардируют флуоресцирующий экран, отображая с большим увеличением выступающие участки. Недостатком такого ионного микроскопа является требование к форме образцов – они должны иметь форму острых игл из проводящего материала с радиусом закругления менее 0,1 нм.

а) б)

Рис. 1.29. Схема полевого ионного микроскопа (а) и изображение вольфрамовой иглы

радиуса ~ 12 нм, полученное при температуре 21 К

Прорывом в создании инструментальных средств для наблюдения нанообъектов стало открытие в 1981 году Г. Биннигом и Г. Рорером метода сканирующей туннельной микроскопии, который положил начало развитию сканирующей зондовой микроскопии. Работая над микроскопическими исследованиями роста и электрических свойств тонких диэлектрических слоев в лаборатории IBM в Цюрихе (Швейцария), они предполагали использовать туннельную спектроскопию. История создания этой методики берет свое начало с конца 60-х годов XX века, когда Р. Янг (Национальное бюро стандартов, США) попытался использовать электронное туннелирование для исследования геометрической структуры поверхности. С этой целью он разработал прибор, названный им топографиметром, весьма напоминающий современный сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) за одним принципиальным исключением, а именно, сканирование осуществлялось на расстоянии примерно 10 нм от поверхности. Кроме того, измерения производились в режиме полевой электронной эмиссии, а не вакуумного туннелирования. В результате удалось получить разрешение на уровне нескольких десятков нанометров. Кроме работ Янга были известны работы Томпсона по туннелированию в вакууме с управляемым острием. Так что идея о возможности измерения с помощью эффекта туннелирования не только спектроскопических свойств поверхности, но и ее рельефа, была основана на трудах немалого количества исследователей.

Для создания действующего образца СТМ Биннигу и Рореру пришлось решить множество технических проблем: изоляция от акустических и механических вибраций; создание быстродействующей малошумящей электроники, работающей в широком динамическом диапазоне; обеспечение надежных сверхвысоковакуумных условий, допускающих различные манипуляции с образцом; изготовление тонких атомно-гладких зондов и их диагностика. Для решения проблемы виброизоляции Бинниг и Рорер в своей первой конструкции использовали даже сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла. В дальнейшем эту проблему удалось решить, используя специальную подвеску в вакууме всего микроскопа на длинных пружинах, и разместив сканирующий узел на массивном виброизолирующем столике. Для подвода зонда к образцу на расстояние менее 1 нм и сканирования вдоль поверхности использовался пьезодвигатель на основе пьезоэлектриков – материалов, которые изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения. Для изготовления зондов вначале использовались случайно возникающие «минизонды» на поверхности основного зонда, позже использовалась операция заострения зонда за счет миграции ионов под воздействием сильного электрического поля в вакууме.

За изобретение нового класса электронных микроскопов – сканирующего туннельного микроскопа Г. Биннингу и Г. Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике 1986 года (вместе с Э. Русской, который получил половину премии за фундаментальные работы по электронной оптике и за создание первого электронного микроскопа).

В настоящее время создано целое семейство сканирующих зондовых микроскопов – приборов, в которых исследуемая поверхность сканируется специальной иглой-зондом, а результат регистрируется в виде туннельного тока (туннельный микроскоп), механического отклонения микрозеркала (атомно-силовой микроскоп), оптического излучения (ближнепольный оптический микроскоп), локального магнитного поля (магнитный силовой микроскоп), электростатического поля (электростатический силовой микроскоп) и другими способами. Являясь не только измерительными приборами, но и инструментами, с помощью которых можно формировать и исследовать наноструктуры, зондовые микроскопы являются в настоящее время основными инструментами нанотехнологий.