Что такое "Наноэлектронная элементная база информатики"? Как "увидеть" наноразмерные элементы?

Дальнейшее развитие сканирующей зондовой микроскопии

За четверть века развития сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии были решены все сложные технические проблемы: изготовление остро заточенных (вплоть до атомных размеров) зондов; обеспечение вибрационной и тепловой стабилизации положения зондов над поверхностью исследуемого образца; регулирование положения зонда с точностью 1-10 пм; обеспечение прецизионного перемещения зонда по горизонтали с такой же точностью; гарантирование плавного подвода зонда к поверхности образца и осторожного сканирования вплотную к ней.

Были развиты и новые варианты техники наблюдений. Если, например, на острие зонда нанести ферромагнитный материал, то это острие становится чувствительным к магнитному полю над исследуемым образцом. Чтобы отделить результаты, связанные с магнитным взаимодействием, от результатов, обусловленных обычным межатомным взаимодействием или перепадами рельефа поверхности образца, исследуемый образец сканируют дважды. Первое сканирование проводят в контактном режиме при значительной силе отталкивания зонда, воссоздавая на мониторе и запоминая рельеф поверхности. Повторное сканирование проводят в бесконтактном режиме ( рис. 1.10), сохраняя постоянным расстояние между зондом и поверхностью образца (1-10 нм). Пунктирами условно изображены перемещения кантилевера по вертикали. В ходе сканирования головку с кантилевером перемещают по вертикали точно так же, как она перемещалась при первом сканировании, но острие зонда теперь находится на большем расстоянии от поверхности. Благодаря этому перепады рельефа поверхности и межатомные взаимодействия уже не влияют на прогиб кантилевера. Он определяется теперь лишь силами магнитного взаимодействия.

На рис. 1.10 условно показаны положения двух наночастиц ферромагнетика, расположенных у поверхности исследуемого образца, стрелками – направление их намагничивания. Внизу показана профилограмма магнитных сил, действующих на ферромагнитное острие зонда в этом случае.

Особенно часто магнитно-силовой микроскоп применяют при разработке, изготовлении и исследованиях магнитных носителей информации нового поколения, которые мы рассмотрим в лекциях 10 и 11. На рис. 1.11, например, показаны изображения участка экспериментального магнитного диска, полученные в магнитно-силовом микроскопе, слева – в контактном режиме при первом прохождении, в центре – в бесконтактном режиме при втором прохождении.

Слева хорошо видны лишь канавки, разделяющие магнитные дорожки. В центре уже хорошо видны также и вертикально намагниченные области размером порядка 20 нм.

Справа показано изображение в магнитно-силовом микроскопе одной из дорожек диска с записанной информацией. В отличие от изображения в центре здесь видны отдельные области магнитного покрытия, намагниченные горизонтально в направлении, перпендикулярном к дорожке. Северные полюса элементарных магнитиков выглядят белыми, южные – темными. Одно направление намагниченности означает запись двоичной "1", противоположное – запись двоичного "0". Верхняя половина изображения соответствует повышенной плотности записи.

Магнитно-силовая микроскопия бывает полезной и в биологии. С ее помощью, например, удалось визуализировать элементарные магнитики размером ~50 нм внутри бактерии Aquaspirillum magnetotacticum, способной ориентироваться в магнитном поле Земли. Измеренный магнитный момент такой бактерии (ее длина ~2 мкм) оказался очень малым: ~.

Разработаны технологии, позволившие объединить магнитно-силовую микроскопию с методиками электронного парамагнитного и ядерного магнитного резонанса. Такие технологии называют "магнитно-резонансной силовой микроскопией".

Для образцов, имеющих электропроводящую основу или электропроводящий подслой ( рис. 1.12), развиты разные методы "электросиловой микроскопии". Между электропроводящим слоем образца и электропроводящим острием зонда прикладывают внешнее электрическое напряжение

где – постоянная величина, – гармоническая составляющая с частотой .

В слое диэлектрика или полупроводника, который в исследуемом образце находится над электропроводящим слоем, могут присутствовать поверхностные или приповерхностные электрические заряды, участки с отличающимися диэлектрическими свойствами, вообще любые электрические аномалии. Они создают поверхностное электрическое поле с распределением потенциала на поверхности . С учетом этого разность потенциалов между острием зонда и электропроводящим слоем образца составляет

Потенциальная энергия зонда относительно электропроводящего слоя образца равняется где – электрическая емкость между зондом и электропроводящим слоем, которая зависит от расстояния между ними. Вертикальная составляющая силы электрического взаимодействия между зондом и образцом в точке равняется, как известно,

Формульные преобразования с учетом того, что , показывают, что в зависимости от времени сила взаимодействия имеет три частотные составляющие:

(1) не зависящую от времени,

(2) гармоническую составляющую с частотой и

(3) гармоническую составляющую с удвоенной частотой .

Гармоническая составляющая с частотой пропорциональна величине . Если выделить лишь эту составляющую, то можно получить изображение, показывающее распределение электрического потенциала и, следовательно, распределение электрических зарядов возле поверхности исследуемого образца. Это – так называемый метод электросиловой микроскопии Кельвина.

Гармоническая составляющая с удвоенной частотой имеет амплитуду

Если выделить эту частотную составляющую, то можно визуализировать картину распределения диэлектрической постоянной по поверхности исследуемого образца. Это – так называемый метод емкостной электросиловой микроскопии.

В обоих указанных методах для выделения сил электрического взаимодействия исследуемый образец тоже сканируют дважды. Как и в методе магнитно-силовой микроскопии, первое сканирование проводят в контактном режиме, воссоздавая на мониторе и запоминая рельеф поверхности. Повторное сканирование проводят в бесконтактном режиме ( рис. 1.12), сохраняя постоянным расстояние между зондом и поверхностью образца (<10 нм).

Если на острие зонда АСМ иммобилизовать молекулу, сильно и избирательно взаимодействующую с интересующими исследователя молекулами, химическими радикалами или ионами, то при сканировании исследуемого образца в АСМ можно получить изображение с "химическим контрастом". На нем будут выделены те места, в которых находятся молекулы, химически сродственные с молекулой на зонде. Если на острие зонда иммобилизовать антитело к какому-то конкретному штамму вирусов, то зонд будет особенно сильно "реагировать" именно на эти вирусы. И при сканировании исследуемого объекта АСМ будет выделять на изображении эти вирусы даже среди тысяч других, подобных.