Нанотехнологии для всех. Часть 1: Как и чем измерить наномасштаб? Сканирующая туннельная микроскопия

в 14:59, , рубрики: инженерия, микроскопия, нанотехнологии, наука, Научно-популярное, Учебный процесс в IT, физика, метки: , , , , , , ,

Приветствую вас, славные жители Хаброгорода!

Плюсы в комментариях в посте IBM и ответы на мой вопрос в Тостере а еще карма, выросшая за ночь в 3 раза обозначили яркое желание Хабра читать научно-популярные статьи: достаточно глубокие, но написанные человеческим языком и с прозрачными аналогиями. Заранее определим, как и о чем мы будем писать.

В постах НЕ будет:

  • повторов знаний из Википедии и научно-популярной клюквы с утверждениями, «взятыми с потолка»;
  • математики и формул. Вообще;
  • ликбеза по поводу школьного курса физики.

    да мне не сложно, но тогда статья вырастет до размеров самки кита ;D. Все мы люди взрослые и если не понимаем основы основ — ищем ответ самостоятельно или спрашиваем в комментариях.

В публикациях будет:

  • упор на техническую и инженерную часть;
  • много вопросов. Мне хотелось, чтобы читатель включил свой мозг и пытался бы думать как исследователь;
  • большое количество наглядных картинок.

Материала очень много и для усиления усваивания лучше начать с инженерной статьи. Итак, как же понять, что за технология перед нами, нано или нет? Давайте измерим ее.

Волшебная линейка

Прежде всего, отметим, что я по мышлению скорее технолог и экспериментатор, поэтому с большим неодобрением отношусь к людям, кто использует математический аппарат, не понимая сути процесса и природу физики изучаемых явлений.

Моим учителям

К сожалению, образование в нашей стране работает по принципу: ОЧЕНЬ много математики и отсутствие наглядных сравнений. Этим абзацем я хочу выразить свое признание и благодарность моим учителям, кто (удивительно!) на последних курсах института не пичкал формулами, а объяснял суть физики на пальцах. Их имена: И.С. Васильевский, В. А. Кульбачинский и легендарный В.П. Гладков, кто научил нас думать после нескольких лет мозговой импотенции.

Давайте забудем про модный бренд «нанотехнологии» и высокопарные определения. Нано- является одной из приставок масштаба. Ничем не отличается от микро- или мега-. Таким образом, логично считать, что если мы можем в технологиях оперировать объектами размером, сопоставимым с миллиметром (например выточка деталей на токарном станке) — то это миллитехнологии.

Попробуем представить наномасштаб и одну миллиардную часть метра. Толщина человеческого волоса (кстати, зависит от его цвета) составляет десятки микрометров. Наномасштаб начинается, если мы эту толщину уменьшим в 10 000 (!) раз. Возьмите в руки волосок и оцените его ширину на глаз. Предлагаю вам мысленно ее уменьшить. Сложно представить? А я не говорил, что это просто (откровенно говоря, вообще невозможно).

Оказывается измерить проще, чем вообразить. Физика вообще удивительна тем, что для объяснения природы постоянно придумывает невозможные аналогии в целях описания вещей, которые невозможно представить.

Для измерения метража комнаты лучше использовать рулетку. Ширину Ipad'a удобнее измерить с помощью линейки. Толщина заводской детали отлично меряется с помощью штангециркуля. А толщину волоса можно увидеть на оптическом (школьном) микроскопе.
Но как измерить нанобъект?

Любое измерение строится на понятии сопоставления с эталоном. Как это происходит?

  • Визуальное сравнение: Мы можем найти камешек размером с микрометр, положить его на столик микроскопа, посмотреть, отрисовать шкалу измерений на линзе и при дальнейших исследований ориентироваться по ней.
  • Наложением: Берем линейку или рулетку, знаем ее точный размер. Прикладываем ее к образцу, смотрим сколько раз объект укладывается на линейке, вычисляем искомую длину.

Других методов прямых измерений длины не существует (или я не могу вспомнить). Важно понимать, что прямые измерения — это действия, когда результатом является непосредственно искомая величина. Конечно же, я могу измерить толщину стекла, ориентируясь на изменение интенсивности прошедшего через нее света (чем толще стекло — тем меньше света). Я измеряю интенсивность света, а потом косвенно вычисляю толщину по каким-то зависимостям. Как можно догадаться — это косвенные измерения.

Можем ли мы наложить эталонный нанообъект на другой? Конечно нет. Можем ли мы визуально сравнить? Можем, но это очень сложно (связано с природой света. Объяснение и методы обхода природных ограничений будут в следующих статья).

Если мы не можем представить и увидеть, то давайте… ощупаем!

Зондовая микросокопия. Принципы СТМ

В 1981 году был придуман сканирующий туннельный микроскоп или СТМ. Идея следующая: берем граммафон с тонкой проводящей иглой и располагаем зонд над образцом (касания нет).
Нанотехнологии для всех. Часть 1: Как и чем измерить наномасштаб? Сканирующая туннельная микроскопия
Фотография метода сканирующей зондовой микроскопии

На приборе детектируем ток, так как электрическая цепь замыкается (электроны перепрыгивают с поверхности на иглу, так называемый туннельный эффект). Если зонд проходит над ямой — видим ослабление тока. Если под зондом горка — усиление. Так происходит из-за изменения расстояния между иглой и образцом. На основе данных строим картинки (контраст зависит от величины тока в конкретной точке. Чем светлее — тем выше значения, так как зонд был ближе к поверхности).
Нанотехнологии для всех. Часть 1: Как и чем измерить наномасштаб? Сканирующая туннельная микроскопия
Слева мы наблюдаем фотографию, сделанную с помощью оптических методов (масштаб 10 микрометров), справа изображение, полученное с помощью СТМ. Забавно, но цвета нет и не может быть. Все картинки из микромира раскрашиваются вручную для попсовой наглядности. В наномасштабах понятие цвета просто исчезает.

Просто и красиво, не так ли? Давайте повторим это дома. Добываем все необходимые инструменты, затачиваем иглу.
Нанотехнологии для всех. Часть 1: Как и чем измерить наномасштаб? Сканирующая туннельная микроскопия
По научному, не игла, а кантилевер. Кстати, его толщина на конце может достигать 10 нм. Как такой сделать? Вопрос на отдельную статью. А пока, допустим вам Дед Мороз подарил ;)

Возникает вопрос, как приблизить иглу к поверхности достаточно близко (порядка 0.1 — 1 нанометров) и случайно не коснуться образца?
Нанотехнологии для всех. Часть 1: Как и чем измерить наномасштаб? Сканирующая туннельная микроскопия
Для измерения наномасштаба нужно предварительно научиться двигать объекты с наноточностью. В современных зондовых микроскопах точность удержания зонда составляет 0.001 нанометра! Если бы промышленный робот обладал подобной точностью перемещений при габаритах около метра, то иголкой, зажатой в манипуляторах, он мог бы нарисовать окружность диаметром в несколько нанометров. Фантастика, короче.

К счастью, выход есть — пьезоэлектрические элементы. В зависимости от пропускания тока через себя, размер таких элементов меняется в «нанопределах». Быстрая и прямая аналогия — температурная расширение. Если мы нагреваем металл — он меняет свой размер, незаметно для глаза, но ощутимо для инженерных конструкций. У «пьезы» такое же свойство, но с электрическим током.

Получается, если мы присоединим зонд к такому элементу, подведем с помощью микроскопа на расстояние 1 мкм, потом пустим ток через «пьезу» — преодолеем еще 0.99 мкм и будем рядом с поверхностью, как и требовалось! Проблема решена. Мы можем приступать к измерениям.

Измерения и новые проблемы

В зондовой микроскопии есть несколько режимов измерений:
При сканировании кантилевером поверхности мы можем приподнимать зонд при усилении тока (чтобы уменьшить туннельный эффект) или опускать, чтобы усилить. Таким образом, мы стремимся к режиму постоянного тока в зависимости от высоты. Игла всегда имеет один уровень сближения с поверхностью, то есть мы тщательно «ощупываем» образец.

А можем зафиксировать высоту иглы и двигать ее только в горизонтальных направлениях, ориентируясь на изменение тока. Это режим постоянный высоты. Это удобно, если образец достаточно однородный по высоте — мы можем быстро «пробежаться» параллельно поверхности и снять данные по току.

Нанотехнологии для всех. Часть 1: Как и чем измерить наномасштаб? Сканирующая туннельная микроскопия
Схема работы с поверхностью при разных режимах.

Так или иначе, мы всегда можем однозначно определить высоту объекта.

Но как измерить его ширину, или научным языком, латеральный размер? Как вы понимаете, речь идет не об огромных холмах как на предыдущей картинке, а о объектах размером в несколько нанометров.
Нанотехнологии для всех. Часть 1: Как и чем измерить наномасштаб? Сканирующая туннельная микроскопия
Вот так выглядит наш нанообъект на столике.

Нанотехнологии для всех. Часть 1: Как и чем измерить наномасштаб? Сканирующая туннельная микроскопия
А вот так выглядит тот же объект рядом с острием кантилевера.

Разумно, что при движении зонда влево, шарик начнет касаться зонд сбоку, а не снизу. Начнется плавный подъем, выход на максимум (когда шарик точно будет под острием зонда), потом плавный спуск. Очевидно ли, что мы получим плавный кривой холм (зависимость высоты поднятия зонда от координаты), у которого четко видно высоту, а ширина размазана независимо от формы и толщины нанообъекта?
Таким образом, мы можем только оценить латеральный размер, но точность определения сильно ниже, чем высотные измерения.

Заключение

Разумеется, есть еще много тонкостей и нюансов, которые не имеют особой ценности для неспециалистов. Давайте подводить итоги.

Преимущества СТМ:

  • точность измерений 0.1 — 10 нм (я так и не смог найти данные в интернете, а до тетрадей далеко. Могу немного ошибаться, указываю по памяти).
  • нет прямых воздействий на образец (не повреждаем поверхность, другие методы не так лояльны).

Недостатки СТМ:

  • измеряет только проводящие образцы (поэтому часто всякую органику напыляют золотом, чтобы «увидеть»).
  • очень долго (помню, сидел в лаборатории 40 минут, пока сканировали небольшую площадку размером несколько десятком микрометров. Чем больше время измерения, тем точнее и лучше картинка).
  • слабое определение латеральных размеров.

Нанотехнологии для всех. Часть 1: Как и чем измерить наномасштаб? Сканирующая туннельная микроскопия
Фотография установки СТМ. Цену в интернете не так просто найти, но ориентируйтесь на 6 нулей в рублевом эквиваленте, в зависимости от комплектации.

Все сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) в основе метода используют типы воздействия зонда с поверхностью.

В следующей статье я расскажу о естественной эволюции СТМ и о том как извлечь пользу из гравитационных сил, почему зонд колеблется и в чем сложность измерения крошечных углов.

Ловите красивую картинку напоследок:
Нанотехнологии для всех. Часть 1: Как и чем измерить наномасштаб? Сканирующая туннельная микроскопия

Автор: SoulAge

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js