«Сухой» контакт, возникающий между иглой и поверхностью, в контактной моде АСМ оказался очень неприятной вещью. Мало того что игла в таком режиме работы стирается и тупится, она к тому же активно перемещает адсорбированные атомы по поверхности образца и рвет биологические молекулы, лежащие на гладкой рабочей поверхности. Избавиться от этого неудобства удалось достаточно изящным способом: кантилевер с иголочкой на конце заставили колебаться на резонансной частоте с амплитудой в несколько десятков нм. Такой режим работы АСМ называют таппинг-модой, поскольку зонд как бы обстукивает исследуемую поверхность своей иголочкой.
Понять, почему такой колеблющийся кантилевер будет хорошо чувствовать поверхность, легко: достаточно коснуться звенящего колокольчика рукой. Колокольчик мгновенно замолчит, так как его колебания быстро затухнут, поскольку энергия начнет «уходить» в руку.
Колеблющийся зонд очень полюбился физикам, биологам и технологам, и сегодня именно такой режим работы чаще всего используется в АСМ. Возбуждая зонд на резонансной частоте и следя не только за амплитудой, но и за частотой собственных колебаний кантилевера, можно получить дополнительную информацию о механических свойствах исследуемого материала. С помощью иголочки, которая ударяет по поверхности сотни тысяч раз в секунду, как правило, не удается увидеть отдельные атомы, но это не так уж и важно для большинства технологических применений АСМ.
Используя колеблющийся зонд, можно вообще отказаться от сверхминиатюрных и мягких кантилеверов. Оказалось, что пьезорезонансные датчики, активно использующиеся в промышленности для измерения температуры, давления и массы, можно употребить и в такой деликатной области, как атомно-силовая микроскопия. Маленький камертон, изготовленный из пьезокерамики, отлично чувствует момент непосредственного контакта установленной на нем иглы с поверхностью и позволяет уверенно различать элементы структуры поверхности размером менее 10 нм в плоскости и 1 нм по высоте. При этом его собственная жесткость соизмерима с жесткостью пружины от подвески «Жигулей», а геометрические размеры измеряются миллиметрами.
В туннельном микроскопе между острием и поверхностью нет прямого механического контакта, поскольку электроны летают между зондом и образцом через вакуумный промежуток. Однако электрические силы, действующие на острие и находящиеся под ним атомы, существуют, и они совсем не маленькие. Под действием этих сил атомы могут мигрировать по поверхности и даже улетать с острия. Это очень ценное свойство СТМ сегодня активно используется при работе с квантовыми точками и изолированными ионами.
Но эти электрические силы накладывают и определенные ограничения на жесткость зонда с иглой в СТМ. Мягкий зонд, используемый в классических АСМ, при прикладывании к нему электрического напряжения под действием этих сил мгновенно изгибается и врезается в поверхность. В этом состоит одна из принципиальных причин, затрудняющих совмещение в одном приборе с одним и тем же зондом туннельного и атомносилового режимов. Случайное внедрение иглы в образец приводит к его деформации и поломке иглы. Но нет худа без добра. Способность АСМ делать маленькие дырочки и рисовать тонкие черточки сегодня активно используют для изучения прочности и износоустойчивости композиционных и тонкопленочных материалов. Правда, далеко не любой из современных материалов можно проколоть и поцарапать, используя тонкие кантилеверы и обычные кремниевые иглы.
У сканирующих зондовых микроскопов существует достаточно много узких специализаций и конструкций, разработанных под конкретные задачи. Чудес не бывает, и совместить в одном приборе рекордные характеристики, полученные на уникальных образцах, невозможно. Однако попытки создания универсального прибора, позволяющего одновременно измерять форму и механические свойства поверхности, а также определять проводимость и локальную емкость в точке контакта иглы с образцом, не прекращаются. Уже существуют экземпляры атомносиловых микроскопов, умеющие все это делать и к тому же позволяющие измерять микротвердость алмазоподобных пленок и истираемость защитного покрытия из углеродных нанотрубок.
Для того чтобы решить столь обширный комплекс задач, приходится использовать токопроводящие алмазные иглы и пьезорезонансные зонды с жесткостью автомобильной пружины. Именно благодаря такой большой жесткости всей конструкции (более 10 000 Н/м) электрическое напряжение между иглой и образцом не мешает нормальной работе АСМ. С помощью таких приборов в режиме реального времени можно наблюдать окисление кремния после того, как его поцарапали алмазной иглой зонда.
Глаза боятся, а руки делают, и успехи сканирующей микроскопии как нельзя лучше доказывают эту древнюю истину. Былой пиетет перед атомами и тем, как они друг за друга цепляются, безвозвратно ушел в прошлое. Осознание возможности «на ощупь» исследовать вещество и определять его структуру кардинально изменило представления о технологических возможностях в мире атомов. Ведь без умения измерять и контролировать параметры материалов и конструкций на нанометровом масштабе не может быть и речи о том, чтобы что-то осмысленно создавать в области нанотехнологий, где каждый атом на счету.
Кирилл Гоголинский, кандидат технических наук
Владимир Решетов, кандидат физико-математических наук
Арсенал:
Автомат Калашникова – классика огня
«Холодная война», начавшаяся сразу по окончании Второй мировой, стимулировала быстрое перевооружение противостоящих сторон. Советскому Союзу в сложных условиях восстановления разрушенного хозяйства пришлось вести новые разработки практически по всем направлениям: ядерное и управляемое ракетное оружие, зенитные средства, бронетанковая и авиационная техника, оружие пехоты.