Нанонауки. Невидимая революция - Жоаким Кристиан

Во всех только что описанных микроскопах источник излучения заметно удален от экрана, на котором и наблюдаются результирующие изображения. А что, если приблизить иглу к металлическому экрану? Игла и экран оказываются обкладками конденсатора, которые могут быть электрически заряжены и между которыми может возникнуть напряжение. К примеру, при напряжении порядка 1 В на обкладках конденсатора скапливается несколько электронов (если расстояние между иглой и поверхностью поддерживается в пределах нескольких нанометров). Поскольку напряжение поляризации (напряжение между обкладками конденсатора) мало, электроны не стекают с иглы — в отличие от электронного микроскопа.

Но этот малюсенький конденсатор страдает одним изъяном: он так мал, что обкладки электрически — точнее, «электронно» (посредством электронов) — взаимодействуют через промежуток между иглой и поверхностью. Это значит, что электрон «не знает», на какой он обкладке. «Неведение» это квантовой природы, и выражается оно в токе утечки ничтожной силы, а само явление называется туннельным эффектом. При напряжении поляризации в 1 В и расстоянии между иглой и поверхностью в 1 нм сила тока утечки имеет величину порядка 1 нА и уменьшается по мере удаления иглы от поверхности. Хотя ток силой в наноампер кажется ничтожно малым, сама эта величина означает, что за секунду между иглой и поверхностью перемещается порядка 1010 электронов. Однако нашлись люди, превратившие этот порок в добродетель, — ими были Генрих Рорер и Герд Бинниг, работавшие в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе.

В конце 1970-х годов Рорер заинтересовался дефектами сверхтонких изолирующих пленок, нанесенных на поверхность металла или полупроводника. Размеры этих дефектов часто не превышали 10 нм, но они сильно вредили магнитной памяти и миниатюрным транзисторам. Однако в то время исследование строения этих изъянов с помощью любого микроскопа — во всяком случае, без разрушения самих дефектов — было невозможно.

Бинниг и Рорер решили как-то воспользоваться током утечки, возникающим из-за туннельного эффекта, который вполне мог сообщать и о качествах дефектов, и о расстоянии от кончика иглы до поверхности — речь, словом, шла об определении рельефа исследуемого образца. В работе к ним присоединился инженер-исследователь Кристоф Гербер, тоже трудившийся на IBM. Втроем они собрали из подвернувшихся под руку деталей прибор с очень тонкой и длинной иглой, которую можно было, по желанию, поднимать и опускать над поверхностью, и устройством для замера ничтожно малых токов — порядка наноампера. Они рассчитывали, что, сканируя поверхность иглой, то есть перемещая иглу над поверхностью так, чтобы покрыть всю ее площадь, и замеряя при этом силу туннельного тока, удастся построить, строка за строкой, все изображение обследуемой площадки, подобно тому как это происходит в сканирующем электронном микроскопе.

Рорер, Бинниг и Гербер строили пробный образец своего прибора три года. В 1981 году они экспериментально проверяли закон зависимости силы туннельного тока от расстояния между иглой и поверхностью. Оказалось, что сила тока уменьшается в 10 раз, если между иглой и поверхностью остается только 0,1 нм. Надо думать, для того чтобы уверенно называть такие цифры, требуется небывалая точность позиционирования иглы: нужно не только подвести иглу к поверхности, но и сохранять заданное расстояние по ходу сканирующих метаний — по горизонтали и по вертикали — иглы над поверхностью. Помогли три стерженька из материала, почти не деформирующегося под напряжением.

Сканирование производится при поддержании постоянной силы туннельного тока: игла поднимается над бугорками и опускается над впадинами сканируемой поверхности. Но если экспериментаторы рассчитывали обнаружить на обследуемой «гладкой» площадке своего образца правильную череду ступенек, то линии развертки, полученные осенью 1982 года, показали вереницу бугорков. Профиль, зарегистрированный прибором, отобразил точную атомную топографию просканированного кристалла! Так родился туннельный микроскоп, создатели которого в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике.

Из вышесказанного ясно, что туннельный микроскоп относится к микроскопам ближнего поля: кончик иглы удерживается близ обследуемой поверхности. Если нечаянно или еще почему-то игла коснется поверхности, сила тока мгновенно увеличится до величин порядка 100 мкА, что в сто тысяч раз больше туннельного тока. Прибор оснащен специальной амортизацией, оберегающей иглу от внешних механических колебаний.

После изобретения туннельного микроскопа удалось получить множество изображений различных металлических и полупроводниковых поверхностей и разрешить большое количество проблем кристаллографии. А через некоторое время по ходу совершенствования туннельного микроскопа был создан микроскоп «на атомной силе»: для получения изображения используются силы, возникающие при взаимодействии иглы и сканируемой поверхности. Это силы притяжения — ван-дер-ваальсовы силы — и силы отталкивания, проистекающие из принципа непроницаемости атомов. Таким образом, в полку микроскопов ближнего поля — пополнение.

Вернемся к нашей молекуле фталоцианина меди. Игла туннельного микроскопа сканирует поверхности и создает изображения. А что будет, если на поверхность «выложить» какие-нибудь атомы или молекулы? А вдруг они окажутся настолько непрозрачными для электронов, замешанных в туннельном эффекте, что возникнет какой-никакой, но образ — этакие протуберанцы или сполохи на поверхности?

Джим Гимжевски, решив проверить это предположение, выбрал в качестве образца фталоцианин меди. Он поместил кучку молекул этого вещества на серебряную поверхность, зная, что серебро очень хорошо проводит электричество. Затем он окунул в скопление молекул иглу туннельного микроскопа и, убедившись, что несколько из них прилипло к игле, попытался перенести молекулы в другое место. И ему это удалось: он приблизил иглу к выбранному участку и стряхнул с нее несколько молекул, которые затем беспорядочно рассредоточились по поверхности. Потом он очистил иглу, слегка повысив приложенное к ней напряжение, и приступил к эксперименту: передвигая иглу близ того места, где он разбросал молекулы фталоцианина меди, Гимжевски смог получить изображение — первое изображение одиночной молекулы, полученное на туннельном микроскопе (рис. 4).

Рис. 4. Изображение молекулы фталоцианина меди на поверхности кристалла серебра, полученное в 1987 году Дж. К. Гимжевски на туннельном микроскопе в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе. Четыре дольки соответствуют тем четырем долькам белых крестиков, что видны на изображении, полученном в 1957 году на автоэлектронном микроскопе (см. рис. 2). Размеры участка на фото: 5 нм x 5 нм

И оно удивительно напоминало картинку, полученную Эрвином Мюллером тридцатью годами ранее. Однако оба опыта как бы противоположны друг другу: у Мюллера молекула была на игле, у Гимжевски — на поверхности. Вот как начиналось новое приключение, открывавшее неслыханные возможности, совершенно недоступные как автоионному, так и электронному микроскопам. Подумать только: притронуться к молекуле кончиком иглы, которая, в сущности, продолжает палец исследователя…

Приложение II

Злоключения одной приставки

Предание повествует о древнегреческом поэте Мимнерме, жившем лет за 600 до начала нашей эры в Колофоне. Стихотворец подпал под чары игравшей на флейте шаловливой красавицы по имени Нанно. Примерно в те же времена моряки из торгового порта Фокея добрались до южного берега Галлии. Там, на месте нынешнего Марселя, в эпоху греческой колонизации жило племя лигуров, а правил ими царь по имени Нанн. У царя была дочь на выданье. И вот царь устроил пир, на котором дочка должна была выбрать себе жениха — из приглашенных гостей. Вышло так, что княжна, отвергнув местных красавцев, предпочла одного из греческих моряков. Гостей на том пиру потчевали сладкими медовыми пряниками. Прошли века, а в марсельском порту моряки с удовольствием поедали нанно — медовые пряники, похожие на древние лигурийские сладости. Правда, потом это словечко «нанно» как-то забылось. И ни те греческие философы, которые «изобрели» атомы (кстати, греки называли карликов «нанос»), ни другие ученые мужи, жившие много позже, не вспомнили про «нанно», когда появилась оптическая микроскопия и понадобилось слово для обозначения предметов, невидимых для невооруженного глаза. Выбрали приставку «микро», от греческого «микрос» — малый. А поскольку прибор, помогавший видеть то, что не увидеть невооруженным глазом, назвали микроскопом, приставка «микро» скоро стала и общепринятой да и общепонятной. Все знали: «микро» — это что-то очень маленькое.