Kvant. Осязающие микроскопы
Володин А. Осязающие микроскопы //Квант. — 1991. — № 4. — С. 2-7.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Человека всегда привлекал микромир — мир предметов, которые нельзя увидеть глазом. Исследования природы микромира неоценимы. Они спасли человечество от великого множества страшных болезней, позволили инженерам создать чудеса микроэлектроники, ученым — понять природу большинства явлений, происходящих в нашем, видимом, мире.
Но чтобы понять устройство микромира, его надо прежде всего увидеть. Вот для того чтобы рассмотреть невидимый мир, датский исследователь А. Левенгук в 1674 году и изобрел оптический микроскоп, хорошо известный теперь каждому школьнику. В нем используется система преломляющих свет линз — для вывода из области фокуса увеличенного изображения объекта. Минули столетия; за это время оптический микроскоп настолько хорошо поработал в различных областях науки, что по праву стал одним из ее символов. Однако его возможности оказались ограниченными: он позволял рассматривать лишь мир микронных размеров. Ученых же влекли субмикронные объекты, измеряемые сотнями и десятками нанометров. Однако от первого микроскопа Левенгука, позволившего получать увеличение всего в 200 раз, современные оптические микроскопы ушли недалеко — их увеличение не превышает 1000. В чем же дело?
Запрет Аббе
Свыше 100 лет назад известный немецкий физик и оптик Э. Аббе установил, что для любого микроскопа, работающего с фокусируемым линзами светом или другим излучением, будут существовать принципиальные ограничения, и главное из них обуславливается дифракцией — способностью волны огибать объект; она «скрывает» детали меньшие, чем половина длины волны излучения. А поскольку длина волны видимого света составляет доли микрона, то в оптический микроскоп нельзя рассмотреть предмет субмикронных размеров.
Чтобы продвинуться в субмикронный мир, логично использовать излучение меньшей длины волны, например рентгеновское, или поток электронов (напомним, что электрон, как всякая элементарная частица, одновременно является и волной). Так в 30-х годах нашего века возникла электронная микроскопия.
У частиц излучения, независимо от его природы, есть универсальная характеристика — энергия. Чем больше энергия, тем короче длина волны. Прибор, построенный по принципу оптического микроскопа, но работающий с потоком электронов, преломляемым специальными магнитными линзами, называется электронным микроскопом. Электронные волны примерно в тысячу раз короче световых, поэтому увеличение лучших электронных микроскопов достигает одного миллиона. Но досталось оно непросто: электронный микроскоп в тысячи раз больше, сложнее и дороже оптического и имеет существенный недостаток — он разрушает исследуемый объект. Дело в том, что под действием электронов с энергиями в десятки электронвольт гибнет все живое, а в кристаллических материалах возникают дефекты — нарушения регулярного расположения атомов. И тем не менее электронный микроскоп позволил сделать большой шаг в изучении субмикронного мира.
А можно ли другим путем проникнуть в глубины микромира?
Как был преодолен запрет Аббе
Совсем недавно, в середине 80-х годов путь развития средств микроскопии круто изменился. Если раньше прогресс достигался в рамках запрета Аббе за счет уменьшения длин волн излучения, строящего изображение в микроскопе, то теперь этот запрет был просто обойден. Появились микроскопы нового поколения — сканирующие микрозондовые, которые позволяли исследовать поверхности с очень близкого расстояния. И если прежние микроскопы основывались на принципах «зрения», то приборы нового поколения действуют по принципу «осязания», причем они не только дают информацию о форме и расположении мельчайших деталей предмета, но и характеризуют их свойства. Так, магнитный зондовый микроскоп «ощущает» неоднородность намагниченности предмета, электрический — микрораспределение электрических полей, тепловой — различие температур и т. д. Итак, всем основным физическим параметрам теперь соответствует свой зондовый микроскоп. А зондовые микроскопы, основанные на туннелировании электронов и на действии сил межатомного взаимодействия, позволяют рассматривать даже отдельные атомы.
Но не будем забегать вперед и начнем с оптического зондового микроскопа.
Осязание светом
Представим себе непрозрачную коническую оболочку с крошечным отверстием в вершине, таким, что на его диаметре не уместится и половина длины волны света (рис. 1). Если через такую оболочку пропускать свет, он далеко не пройдет, так как световая волна не «пролезет» в отверстие таких размеров и отразится обратно. И все же по другую сторону отверстия свет можно обнаружить, но лишь в непосредственной близости — опять на расстоянии половины длины волны. Вот такой «провисающий» свет и используется в оптических микроскопах нового поколения. (Свойство «провисания» имеет квантовомеханическую природу, характерно для любой волны или частицы и называется туннелированием.)
Поместим вблизи отверстия, на расстоянии, меньшем его диаметра, изучаемый объект. На его поверхности появится световое пятно размером, примерно равным диаметру отверстия. Отраженный предметом свет можно уловить фотопреобразователем — прибором, превращающим слабые потоки света в электрический сигнал. Этот сигнал можно усилить и снова изобразить световой точкой на экране монитора. Яркость точки на экране будет соответствовать интенсивности улавливаемого света. Станем теперь водить острием-зондом вдоль поверхности предмета строка за строкой. Световое пятно, выходящее из зонда, пробежит всю исследуемую поверхность. Такая процедура называется сканированием поверхности. Если точками разной яркости отмечать на экране монитора пройденный зондом путь, на экране появится изображение поверхности. Разрешение, характеризующее полученное изображение, соответствует диаметру освещающего поверхность пятна, т. е. существенно меньше \(~\frac{\lambda}{2}\). (Напомним, что минимальный, еще наблюдаемый размер деталей предмета называется разрешением микроскопа.) Итак, запрет Аббе преодолен! Новый прибор, с помощью которого удалось это сделать, получил название оптического сканирующего микроскопа ближнего поля. Как это ни парадоксально, такой оптический микроскоп позволяет рассматривать детали, во много раз меньшие длины световой волны!
Пьезоэлектрические пальцы микроскопа
Но как можно сканировать поверхность предмета со столь высокой точностью? Для этого сконструированы прецизионные пьезоэлектрические манипуляторы, простейший из которых показан на рисунке 2. Он сделан из специальной керамики, слегка меняющей размеры при изменении приложенного электрического поля, для чего манипулятор помещают между пластинами конденсатора. Часто сами пластины наносятся на поверхность керамического манипулятора в виде электродов из тонкого слоя металла. Меняя напряжение на электродах на 0,1 В, можно удлинять такой стержень всего на 0,1 нм, т. е. на величину поперечника атома. (Слой металла на поверхности манипулятора достаточно тонок, чтобы, растягиваясь, не препятствовать этому перемещению.)
Простая конструкция из трех стержней-манипуляторов, соединенных в одной точке перпендикулярно друг другу, как показано на рисунке 3, может двигать зонд, помещенный в месте соединения, во всех пространственных направлениях. Три управляющих напряжения, Ux, Uy и Uz, зададут координаты смещения зонда х, у и z. Меняющиеся напряжения Ux, Uy перемещают зонд по поверхности исследуемого предмета, сканируя ее по параллельным строкам, отстоящим друг от друга на заданное расстояние (подобно лучу на экране телевизора). А напряжение Uz двигает зонд вверх и вниз; если Uz поддерживать неизменным, то при сканировании поверхности из-за неровностей удалялась бы или приближалась к зонду. Но это неудобно для регистрирующей системы — сигнал сильно меняется, да и при больших неровностях зонд может сталкиваться с ними. Чтобы избежать этого, в прибор вводят элемент самоорганизации — отрицательную обратную связь. Она заставляет зонд двигаться вверх и вниз в соответствии с рельефом поверхности.
Туннельный микроскоп осязает атомы
Подробнее действие системы обратной связи рассмотрим на примере сканирующего туннельного микроскопа; он первым появился в семействе зондовых микроскопов. За его изобретение Г. Биннинг и Г. Рорер, сотрудники знаменитой компьютерной фирмы IBM в Цюрихе, были удостоены Нобелевской премии 1986 г. В нем зондом служит чрезвычайно острая металлическая игла. Если проводить аналогию с оптическим зондовым микроскопом, то роль отверстия зонда в туннельном микроскопе играет острие иглы, из которого вместо света «провисают» квантовомеханические волны электронов, содержащихся в металле острия (рис. 4). Длина таких электронных волн примерно в тысячу раз меньше световой, и, соответственно, «освещать» они могут площадку в тысячу раз меньшего размера, чем оптический зонд. Когда такая электронная волна касается исследуемой проводящей поверхности (а происходит это при расстояниях между зондом и поверхностью около 1 нм), электрон с острия может перепрыгнуть на поверхность, иначе говоря, «туннелировать». Туннелирование означает появление электрического тока в цепи зонд — поверхность, правда, тока очень слабого — в миллиардные доли ампера, но усиление его средствами современной электроники проблемы не представляет. Важно, что он чрезвычайно сильно зависит от расстояния между острием и поверхностью. Так, уменьшение расстояния на пару ангстрем, т. е. примерно на размер атома, увеличивает туннельный ток в тысячу раз. Функция, отражающая эту зависимость,— экспоненциальная (показательная функция с основанием е = 2,718...).
Вернемся теперь к системе обратной связи, которая обеспечивает качественную работу всякого зондового микроскопа. Она представляет собой сложную и чувствительную электронную схему, улавливающую изменение туннельного тока и изменяющего напряжение Uz, приложенное к вертикальному манипулятору. Пьезоэлектрический манипулятор перемещает зонд так, чтобы туннельный ток оставался постоянным. Это возможно лишь при сохранении неизменным расстояния между зондом и поверхностью. Таким образом, обратная связь не дает зонду ни отойти от поверхности, ни столкнуться с ней. Из-за чрезвычайной чувствительности туннельного тока к расстоянию до поверхности точность действия обратной связи очень высока — 0,1-0,01 А. В результате острие движется по траектории, старательно повторяющей рельеф сканируемой зондом поверхности. И поскольку напряжение Uz пропорционально высоте места поверхности, над которым в данный м мент находится острие, оно служит удобной мерой рельефа. Информация о рельефе поверхности записывается в память ЭВМ и после обработки, состоящей в фильтрации, т. е. устранении шумовых и паразитных сигналов, выводится на дисплей в виде «топографической карты» поверхности (рис. 5). Обычно карта полутоновая, т. е. на ней высота рельефа обозначается интенсивностью раскраски. Отчетливо видны положения отдельных атомов кремния в периодической кристаллической структуре (максимальный перепад высот 2 А). Пример туннельно-микроскопического изображения рельефа поверхности кристалла кремния показан также на обложке журнала.
В настоящее время с помощью сканирующих туннельных микроскопов получены детальные изображения поверхностей многих кристаллических и полимерных материалов с атомным разрешением. Сканирующий туннельный микроскоп имеет беспрецедентное увеличение — 100 миллионов!
Исследователи уже успели привыкнуть к тому, что пьезоэлектрические манипуляторы можно перемещать с точностью, соответствующей атомным размерам. Они научились даже использовать острие туннельного микроскопа как инструмент для работы в нанометровом микромире — острием толщиной в один атом можно точно попасть в выбранное место молекулы и разрезать ее на части. А можно «подцепить» какой-нибудь атом и перенести его в нужное место. В лаборатории фирмы IBM ученым удалось сделать надписи, выложенные из цепочек атомов. Надпись, символизирующая эмблему фирмы, была составлена из отдельных атомов ксенона на поверхности кристалла никеля. Она собрана острием туннельного микроскопа из хаотически разбросанных по поверхности атомов ксенона, прилипших к никелю. Чтобы из-за теплового движения атомы не разбегались по поверхности, опыт проводился при очень низкой температуре -269 °С. Это, конечно, рекламное достижение, однако оно показывает, насколько развилась нанотехнология — умение строить в микромире искусственные структуры, которые в будущем составят основу электронных устройств фантастически малых размеров.
Микроскоп ощущает отталкивание атомов
И все же при всей своей привлекательности сканирующий туннельный микроскоп имеет существенный недостаток — для него пригодны лишь электропроводящие объекты. Большинство же материалов покрыто изолирующим слоем окислов. Заманчивые для изучения биологические объекты тоже часто не проводят ток. Может ли сканирующий туннельный микроскоп осязать «непроводящие» атомы? Оказалось, может. Достаточно между его острием и поверхностью объекта-изолятора поместить мельчайшую крупинку алмаза, прикрепленную к тонкой металлической полоске, как показано на рисунке 6.
Острый край крупинки будет отталкиваться электронными облаками атомов поверхности. Конечно, потребуется так приблизить крупинку, чтобы электронные облака ее края и поверхности перекрывались. Полоска металла действует как пружинка, прижимающая крупинку к поверхности.
Станем теперь сканировать этим «бутербродом» поверхность. Двигаясь вверх-вниз, крупинка будет отслеживать неровности рельефа. Ее движение будет регистрироваться по изменению тока туннелирования, текущего с острия на металлическую полоску. И в такой прибор, называемый микроскопом на атомных силах, встраивают систему обратной связи, работающую примерно так же, как в сканирующем туннельном микроскопе. Перемещая весь зонд-«бутерброд» по вертикали, эта система поддерживает отклонение полоски с крупинкой (а значит, и отталкивающую атомную силу) постоянным. Микроскоп на атомных силах тоже имеет сверхвысокое атомное разрешение. В качестве примера на рисунке 7 приведена полученная с его помощью карта слоя полимеризованных молекул сложного органического вещества. Она раскрашена компьютером наподобие географической: цветовая шкала в нижней части рисунка показывает высоту рельефа.
Биты информации под микроскопом
Вы, конечно, знаете, что такое бит информации. Когда информация записывается с высокой плотностью на магнитном диске ЭВМ, в поверхностном слое диска образуются намагниченные и ненамагниченные участки микронных или субмикронных размеров. Однако в какой микроскоп вы бы ни смотрели на диск, ничего бы там не увидели. Но вот в семействе зондовых микроскопов появился прибор, «осязающий» эти магнитные участки диска,— речь идет о микроскопе на магнитных силах. Он совсем просто получается из атомно-силового микроскопа, достаточно алмазную крупинку заменить на крошку магнитного материала железа или никеля. Магнитная крошка будет испытывать действие полей намагниченных участков, и в результате сканирования поверхности диска мы получим карту распределения магнитных сил — биты информации станут видимыми.
Итак, мы познакомились с некоторыми представителями обширного и могучего семейства сканирующих зондовых микроскопов. Несмотря на свою молодость, они уже многое умеют. Несомненно, по мере «взросления» эти микроскопы не только распахнут перед нами микромир атомов и молекул, но и позволят работать в нем, вносить нужные изменения, строить новые объекты.