Библиотека Мошкова: Туве Янссон | Все новые поступления за неделю | Артур Кларк | Советская фантастика

N-T.org / Научные журналы / Наука и жизнь
 

Атомный силовой микроскоп

 

В 1982 году два швейцарских физика Герд Бинниг и Гейнрих Рорер, работающие в Исследовательской лаборатории фирмы ИБМ в Цюрихе (Швейцария), сконструировали прибор совершенно нового типа, с помощью которого можно было рассматривать отдельные атомы на поверхности (см. статью «Поверхности твердых тел»). Создателям этого прибора сканирующего туннельного микроскопа (сокращенно СТМ) в 1986 году была присуждена Нобелевская премия.

Исследователи всего мира, занимающиеся физикой поверхности, да и вообще физикой конденсированных сред, немедленно убедились, что туннельный микроскоп прибор совершенно замечательный. Действительно, ведь до его появления еще никому не удавалось разглядывать поверхность с такой неслыханной детальностью атом за атомом. Однако у СТМ есть один недостаток: с его помощью можно изучать только материалы, хорошо проводящие электрический ток. Такое ограничение вытекает из самого принципа работы СТМ для эффективного туннелирования (просачивания) электронов через зазор между поверхностью исследуемого образца и чувствительным элементом прибора (иглой) на поверхности должно быть много, как говорят физики, электронных состояний. Поэтому когда исследователи принялись изучать с помощью СТМ непроводящие вещества, они были вынуждены покрывать такие вещества металлической пленкой либо «пришивать» их к поверхности проводника, например золота.

Но вот в конце 1986 года тот же Бинниг предложил конструкцию прибора нового поколения, который тоже позволяет исследовать поверхности с беспрецедентной детальностью, но уже вовсе не обязательно электропроводящие. Новый прибор был назван атомным силовым микроскопом, и сегодня именно он представляет наибольший интерес для исследователей.

Рис. 1. Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ)

Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя атомами (около одного ангстрема, 1 Ǻ = 108 см) действуют силы отталкивания, а на больших силы притяжения. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В сканирующем атомном силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. Обычно в приборе используется алмазная игла, которая плавно скользит над поверхностью образца (как говорят, сканирует эту поверхность). При изменении силы F, действующей между поверхностью и острием, пружинка П, на которой оно закреплено, отклоняется, и такое отклонение регистрируется датчиком D. В качестве датчика в АСМ могут использоваться любые особо точные и чувствительные прецизионные измерители перемещений, например оптические, емкостные или туннельные датчики. На рисунке показан именно последний тип датчика, фактически это такая же игла, какая применяется в сканирующем туннельном микроскопе. Величина отклонения упругого элемента (пружинки) несет информацию о высоте рельефа топографии поверхности и, кроме того, об особенностях межатомных взаимодействий. Можно сказать, что в атомном силовом микроскопе сканирование исследуемого образца происходит по «поверхности постоянной силы», тогда как в СТМ по поверхности постоянного туннельного тока. Принципы же прецизионного управления, основанного на обратной связи и улавливающего самые ничтожные изменения рельефа поверхности, в СТМ и АСМ практически одинаковы.

Рис. 2. Схема сканирующего атомного силового микроскопа

На рисунке изображена схема атомного силового микроскопа. О острие (игла), П пружина, на которой оно закреплено; P, Px, Py, Pz пьезоэлектрические преобразователи. При этом Px и Py служат для сканирования образца под иглой, а Pz управляет расстоянием от острия до поверхности, D туннельный датчик, который регистрирует отклонения пружинки с острием.

Атомный силовой микроскоп может использоваться для определения микрорельефа поверхности любых веществ, как проводящих, так и непроводящих, с его помощью можно наблюдать всевозможные несовершенства структуры, локализованные на изучаемых поверхностях, например, дислокации или заряженные дефекты, а также всяческие примеси. Кроме того, АСМ позволяет выявить границы различных блоков в кристалле, в частности доменов (см. статью «Намагничивает свет»). В последнее время с помощью атомного силового микроскопа физики стали интенсивно изучать биологические объекты, например молекулы ДНК и другие макромолекулы, главным образом для целей нарождающегося и, судя по всему, чрезвычайно перспективного направления биомолекулярной технологии. Интересно, что АСМ позволяет решать не только прикладные задачи, но и глобальные проблемы фундаментальной физики. В частности, определив с его помощью поведение межатомных сил и константы взаимодействий между атомами поверхности и острия, можно сделать довольно точные заключения о существовании или отсутствии новых фундаментальных взаимодействий (см. статью «Рассеяние света») и даже о структуре физического вакуума.

 

Ранее опубликовано:

Наука и жизнь. 1989. №9.

Дата публикации:

10 декабря 2002 года

Электронная версия:

© НиТ. Научные журналы, 2002


Искать:
В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Новости | Карта сайта
Подписка | Издания НиТ | Cовместные проекты | Аналитический центр | Рефераты
© МОО «Наука и техника», 1997...2005
Об организации " Аудитория " Связаться с нами " Разместить рекламу " Правовая информация

Rambler's Top100 TopPhoto.ru - рейтинг фоторесурсов