Решающее значение для создания сканирующего зондового микроскопа имела очень резкая зависимость туннельного тока от величины зазора между двумя проводниками. При увеличении расстояния между зондом и поверхностью всего на несколько ангстрем (1 ангстрем = 0,1 нм = 10-10 м) этот ток уменьшается в сотни раз. Благодаря сильной зависимости туннельного тока от расстояния большая его часть течет именно через крайний атом зондирующего острия. Сканирующие зондовые микроскопы как раз и обнаруживают атомарную поверхность, ориентируясь на этот ток. Рабочий ток в таких микроскопах колеблется от десятка пА (10-12 А) до единиц нА (10-9 А). А это значит, что за одну секунду через крайний атом пролетает от сотни миллионов до десятка миллиардов электронов. Для обычных металлов это крайне большая плотность тока (тысячи ампер на квадратный миллиметр). Так что любой проводник мгновенно расплавился бы при такой токовой нагрузке. Однако превращение кинетической энергии туннелировавшего электрона в тепло происходит на значительном удалении от одноатомарного острия, то есть там, где имеется много атомов, способных рассеять выделяющееся тепло по всему объему зонда.
Все эти обстоятельства и позволили создать простой настольный прибор, способный с помощью одного остро заточенного куска твердого тела определять атомарное строение поверхности другого, более или менее плоского образца.
Используя туннельный ток как индикатор приближения к поверхности и нарисовав несколько вариантов ее профилей, можно сложить из рисунков трехмерную картину исследуемой поверхности. Получаемое в сканирующих микроскопах изображение очень похоже на телевизионное – та же строчная развертка и покадровый режим. Только вместо яркости на картинках рисуется третья координата – высота поверхности.
Для получения такого рода профилограмм надо заставить иглу двигаться на некотором фиксированном расстоянии над поверхностью. В реальных приборах система автоматического регулирования высоты острия ориентируется на величину туннельного тока. Зонд, как крылатая ракета, летит на фиксированной высоте над поверхностью, ловко огибая «холмы» и ныряя в «овраги». Вот только системы управления у ракеты и зонда немного разные. И если первая совершает свой полет, маневрируя рулями высоты и поворота, то второй перемещается по своей траектории с помощью пьезокерамического привода. Выбор пьезокерамики в качестве материала для систем позиционирования в сканирующих зондовых микроскопах был далеко не случаен. Этот материал, изменяющий свои геометрические размеры под действием электрического поля, идеально подходит для манипулирования атомами. Пьезокерамические трубки и многослойные элементы обеспечивают жесткий крепеж иглы и окно сканирования размером в несколько десятков микрон.
Пьезокерамика практически не греется в процессе работы, и это обстоятельство существенно облегчает задачу борьбы с температурными деформациями самого прибора. Перемещение зонда зависит от приложенного напряжения, поэтому, ориентируясь на величину напряжения, можно определить координаты той точки, в которой находится зонд. Таким образом, получают трехмерное изображение исследуемой поверхности.
Для повышения точности позиционирования зонда в современные приборы стали встраивать емкостные датчики перемещения, за счет чего при окне обзора 100х100 мкм они позволяют исследовать атомарные объекты размером менее 1 нм.
Туннельные микроскопы, как правило, работают в вакууме, поскольку только так можно получить атомарно чистые поверхности, не замусоренные адсорбированными газами. Исключением здесь является пиролитический графит. При отщеплении верхних слоев от этого монокристалла углерода открываются абсолютно гладкие кусочки его поверхности. Атомы на таких образцах можно различить и на воздухе, поскольку все ковалентные связи у пограничных атомов углерода заняты и они не могут химически соединиться с бомбардирующими их молекулами окружающих газов.
Понимание того, что же видят эти микроскопы, пришло не сразу. Некоторые специалисты полагали, что наблюдаемые картинки – не более чем артефакты или же результаты компьютерной обработки данных… Первое сообщение о наблюдении перегруппировки атомов на поверхности кристалла кремния было сделано в 1981 году Гердом Биннигом и Генрихом Рорером – будущими лауреатами Нобелевской премии. Получить подобные результаты на других поверхностях их коллегам удалось лишь через два года. А дальше начался не прерывающийся и сегодня бум в области сканирующей зондовой микроскопии.
Не остались в стороне и теоретики. Они достаточно быстро решили задачу о прохождении электронов через зазор между острием зонда и исследуемой поверхностью. Получаемые сегодня картинки в СЗМ интерпретируют как изображения электронной плотности свободных носителей заряда на поверхности металла. Сканирующий микроскоп, удерживая постоянную величину туннельного тока, рисует ту поверхность, на которой вероятность пребывания электронов постоянна, то есть, по сути, ту самую псифункцию, которую используют для описания поведения квантовых объектов.
Туннельный ток и пьезопривод не только позволили увидеть, как лежат атомы на поверхности, но и дали возможность проведения простейших манипуляций с этими атомами. Подавая большее или меньшее напряжение, локально разогревают поверхность образца и испаряют отдельные атомы. Используют и чисто механический захват атомов и даже нанолитографию. Причем рисуют как прямым царапаньем и постукиванием, так и с помощью электрического тока и локальных химических реакций.
Ученые и технологи активно занялись изучением поверхностных свойств самых разнообразных электропроводящих материалов, проверяя свои физические модели и совершенствуя технологии. Сверхвысокий вакуум и сверхнизкие температуры достаточно быстро стали обычными атрибутами сканирующих зондовых микроскопов. Однако аппетит, как известно, приходит во время еды, и тот факт, что данный класс приборов плохо работает на воздухе и не позволяет исследовать не проводящие ток образцы, заставлял специалистов искать достойную замену туннельному току.
В своей нобелевской речи авторы изобретения – Герд Бинниг и Генрих Рорер сказали, что им понадобилось всего 27 месяцев, чтобы пройти путь от сформулированной концепции построения до реально работающего прибора. Туннельный ток оказался очень хорошим индикатором контакта двух поверхностей, и, хотя практически сразу стало понятно, что это далеко не единственный способ «увидеть» атомы, избавиться от него оказалось не так просто.
Создание атомно-силового микроскопа (АСМ), способного чувствовать силы притяжения и отталкивания, возникающие между отдельными атомами, затянулось на целых 5 лет, и только в 1986 году коллектив под руководством Герда Биннига смог получить изображения непроводящих поверхностей с атомарным разрешением. Причем в первом АСМ обойтись без туннельного эффекта не удалось и в состав «новомодного» микроскопа вошел «старинный» СТМ, задачей которого являлось измерение силы взаимодействия зондового острия и исследуемой поверхности.
Очередная высота была успешно взята, и по проторенной дороге вперед двинулись тысячи исследователей и десятки производителей. Менее чем за десять лет развития, то есть к началу 90-х, зондовая микроскопия освоила практически все возможные виды взаимодействия между острием и поверхностью. Сегодня эти приборы умеют рисовать распределение электронной плотности проводников и топографию любых твердых материалов, магнитные домены в ферромагнетиках и электрические в сегнетоэлектриках, краску в стеклах и примеси в полупроводниках. Из уникального изделия за миллион долларов сканирующий микроскоп очень быстро превратился в обычный прибор, стоящий не дороже хорошего осциллографа.
Идея построения атомно-силового микроскопа удивительно проста, и только отсутствие смелости и уверенности в успехе не позволили ученым начала XX века создать такой прибор. Сердце любого АСМ – достаточно миниатюрный и мягкий кантилевер с острой иголочкой, то есть такая маленькая дощечка с гвоздем на конце, которая «ощущает» атомы, сидящие в кристаллической решетке. Сами межатомные силы крайне малы и не превышают десятка нН (10-9H), однако появляются они при микроскопических же перемещениях – десятых долей нм. В результате эффективная жесткость отдельно взятого атома оказывается макроскопической величиной – 10—100 Н/м! Это, кстати, очень близко к жесткости пружинки, используемой в шариковой ручке. А группа из ста атомов будет сопротивляться своей деформации уже как пружина передней подвески «Жигулей», жесткость которой 30 000 Н/м. Таким образом, поделив одну очень малую величину на другую, мы получаем большое значение жесткости области атомарного контакта двух твердых тел. Жесткость – это вполне осязаемая физическая
