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

Сканирующий атомно-силовой микроскоп

Вслед за СТМ в 1986 г. был создан сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ, англ. AFM - atomic-force microscope), с помощью которого можно визуализировать наноразмерные структуры на поверхности не только электропроводящих, но и не электропроводящих образцов. С этой целью были изменены физический принцип регулирования вертикального положения наноразмерного зонда над образцом и способ его "подвески". Если в СТМ для такого регулирования используют туннельный ток, текущий через зонд, то в АСМ с этой целью используют силы межатомного взаимодействия. Отсюда и название "атомно-силовой".

Общий характер взаимодействия атомов показан на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Слева – типичная зависимость силы взаимодействия между атомами F от расстояния х между ними; справа вверху – конструкция кантилевера (2) с зондом (3); справа внизу – микрофотография зонда на конце кантилевера; 1 – кристалл кремния

Здесь вдоль вертикали отложена сила взаимодействия между ними, вдоль горизонтали – расстояние между их центрами. На больших расстояниях (свыше 100 нм) атомы практически не взаимодействуют. На малых расстояниях начинают взаимно притягиваться (сила взаимодействия отрицательна, так как направлена в сторону уменьшения расстояния). При совсем малых расстояниях, когда электронные оболочки атомов начинают заметно перекрываться, атомы отталкиваются (сила взаимодействия становится положительной и быстро возрастает с уменьшением расстояния). Существует равновесное расстояние , при котором силы притяжения и отталкивания атомов уравновешиваются. Наиболее крутая зависимость величины силы от расстояния наблюдается, как видим, при малых расстояниях – на участке К, где преобладает сила отталкивания. И именно в этом случае можно наиболее точно поддерживать постоянное малое расстояние между острием зонда и поверхностью образца и воссоздавать рельеф исследуемой поверхности. Такой режим наблюдения называют "контактным".

Зонд в АСМ размещают, как правило, на конце кантилевера ( рис. 1.5, справа). Кантилевер (англ. – cantilever – консоль, кронштейн) – это упругая тонкая балка типа трамплина для прыжков в воду. С помощью микросистемной технологии кантилеверы формируют из монокристалла кремния. Для АСМ используют кантилеверы длиной в десятки микрометров, шириной порядка 1 мкм, толщиной 100-200 нм. От этих параметров зависит коэффициент упругости. Чем кантилевер тоньше и длиннее, тем при меньших усилиях он выгибается. А это позволяет защитить зонд от повреждений при столкновении с препятствиями на поверхности образца и ощущать очень слабые силы межатомного взаимодействия.

На рис. 1.6 показана организация точных измерений положения зонда по вертикали и сил, действующих на него.

Рис. 1.6. Организация измерений положения зонда по вертикали и действующих на него сил

Головка с кантилевером (ГК) закреплена на пьезоэлектрическом приводе (ППz). На противоположную от зонда плоскость кончика кантилевера нанесено зеркальное покрытие (ЗП) из алюминия или серебра либо золота. Луч 1 от лазерного диода (ЛД) падает на это зеркальное покрытие и отражается. Отраженный луч 2 попадает на матричный фотоприемник (МФ). Его положение на МФ сильно зависит от положения ГК по вертикали и от прогиба кантилевера – благодаря значительному базовому расстоянию от ЗП до МФ.

Функциональная схема АСМ показана на рис. 1.7. Исследуемый образец (Обр) закрепляют на координатном столе (КC). Острый зонд находится на головке с кантилевером (ГК), которая закреплена на пьезоэлектрическом приводе (ППz). Электрическое напряжение на этот привод подает электронная схема 1. "Грубое" перемещение исследуемого образца (Обр) относительно зонда по горизонтали обеспечивает координатный стол (КC), управляемый электронным узлом (2). А прецизионное перемещение с точностью порядка 10 пм обеспечивают пьезоэлектрические приводы (ППх и ППy) и электронная схема 3. Приводы ППх и ППy чаще всего устанавливают на координатном столе, и тогда они двигают исследуемый образец (Обр) относительно координатного стола (КC) и зонда.

Рис. 1.7. Функциональная схема атомно-силового микроскопа

АСМ может работать в разных режимах. Работа в контактном режиме подобна описанной выше работе СТМ. Сначала зонд на значительном расстоянии от образца выводят в заданную точку над поверхностью образца. Когда на схему (1) поступает стартовый сигнал от персонального компьютера (ПК), схема (1) подает на ППz постоянное напряжение, при котором зонд приближается к поверхности образца до тех пор, пока сила отталкивания зонда не достигнет заданной величины. Тогда движение зонда по вертикали прекращается. Сила отталкивания определяется по положению светового зайчика, отраженного от зеркального покрытия (ЗП), на матричном фотодетекторе (МФ). Ее вычисляет электронный узел (Эл), считывая информацию с МФ. В схеме 1 по этим данным определяется прогиб кантилевера и реализуется отрицательная обратная связь: если величина прогиба больше заданной, то головка с кантилевером (ГК) поднимается, а если меньше, то опускается, пока величина прогиба не станет равной заданной. Информация о положении зонда по вертикали передается в компьютер.

В бесконтактном режиме схема (1) кроме постоянного напряжения, определяющего вертикальное положение головки с кантилевером (ГК), подает на привод (ППz) еще и небольшое переменное напряжение с частотой, равной частоте собственных колебаний кантилевера. Ведь, будучи упругим, кантилевер является высокодобротным вибратором с частотой собственных колебаний в диапазоне 1-10 МГц. Возбуждаются незатухающие механические колебания кантилевера. Соответственно начинает колебаться и световой "зайчик" на матричном фотодетекторе (МФ). Быстродействующие электронные схемы считывания сигналов с МФ позволяют точно определить как положение центра колебаний светового "зайчика", так и частоту и сдвиг фазы этих колебаний относительно переменного напряжения возбуждения, которое подается на ППz. Когда, например, пьезоэлектрический привод под действием приложенного постоянного напряжения перемещает головку кантилевера, приближая ее к поверхности образца, тогда в сигнале от матричного фотоприемника отслеживается перемещение по вертикали вниз центра колебаний луча 2. Когда зонд приблизится к поверхности образца настолько, что начинается притягивание между атомами кончика зонда и атомами на поверхности образца, то это сразу повлияет на характер колебаний. Колебания кантилевера начинают немного отставать по фазе от возбуждающего напряжения, причем тем больше, чем больше сила притяжения атомов. При большой (в атомных масштабах) силе взаимодействия начинает изменяться и частота колебаний кантилевера. Измеряя сдвиг фаз, можно точно определить величину силы притяжения между атомами, вернее, ее вертикальную компоненту. Если сила взаимодействия имеет и латеральную компоненту, то эта составляющая силы приводит к тому, что кантилевер немного изгибается в сторону действия этой компоненты силы и несколько закручивается вокруг своей оси, поскольку создается небольшой момент силы. А это вызывает смещение луча 2 ( рис. 1.6) на матричном фотоприемнике вдоль горизонтали. Измеряя это смещение, можно определить также и величину латеральной компоненты силы межатомного взаимодействия.

В бесконтактном режиме работы АСМ нет жесткого контакта между острием зонда и поверхностью образца. Возвращаясь к графику силы на рис. 1.5 слева, укажем, что взаимодействие происходит на правом конце кривой притяжения – на участке БК.

В обоих режимах можно проводить как растровое сканирование образца, так и сканирование вдоль заданной линии. В бесконтактном режиме при переходе к следующей точке зонд приближается к поверхности образца или отдаляется от нее до тех пор, пока сдвиг фазы колебаний кантилевера относительно сигнала возбуждения не достигнет заданной величины. При этом движение зонда по вертикали прекращается. Компьютер (ПК), вычисляя расстояние между зондом и поверхностью образца, следит за тем, чтобы амплитуда колебаний зонда не превышала половину этого расстояния, подавая в случае необходимости соответствующие сигналы на схему 1 ( рис. 1.7). Компьютер же рассчитывает координаты следующей точки и передает их на пьезоэлектрические приводы (ППх и ППy), в результате зонд перемещается в эту следующую точку. В компьютере накапливается массив данных, который каждой точке на линии сканирования ставит в соответствие высоту зонда. По этим данным после завершения сканирования заданного отрезка линии на монитор выводится профилограмма поверхности образца вдоль указанной линии. При растровом сканировании на мониторе М может быть отображен рельеф всей исследуемой области образца, как и в СТМ.

В режиме измерения сил взаимодействия между атомами или молекулами зонд размещается над заданной точкой на поверхности образца и постепенно, малыми шагами перемещается вниз. На каждом шаге измеряются вертикальная и латеральная компоненты силы взаимодействия. Потом зонд поднимается, перемещается к соседней точке, и снова измеряются силы взаимодействия на разной высоте. Исследуемый нанообъект как бы осторожно "ощупывается" зондом со всех сторон. По полученным результатам строится трехмерная карта распределения сил взаимодействия.

Если зонд достаточно тонок, то в АСМ достигается разрешающая способность, достаточная для того, чтобы визуализировать форму даже отдельных молекул и атомов. Например, в лаборатории корпорации IBM в Цюрихе с помощью АСМ было получено полное изображение пространственной химической структуры молекулы пентацена, состоящей из 22 атомов углерода и 14 атомов водорода. Ее длина 1,4 нм, а расстояния между атомами углерода 140 пм. Химическая структурная формула этой молекулы показана на рис. 1.8 слева внизу. Слева вверху показана модель исследования: атомная структура кончика зонда, закрепленная на нем в качестве "пикощупа" молекула и закрепленная в углублении на поверхности образца молекула пентацена. Крайний атом молекулы автоматически поддерживался на расстоянии ~50–500 пм над исследуемой молекулой пентацена. Справа показано одно из изображений этой молекулы в атомном силовом микроскопе. На основе анализа результатов измерения сил была построена полная трехмерная векторная диаграмма сил, действующих в окрестности этой молекулы.

Рис. 1.8. Слева вверху – модель исследования; справа – одно из полученных изображений молекулы

На рис. 1.9 для иллюстрации возможностей АСМ при растровом сканировании в контактном режиме показано изображение атомной структуры поверхности монокристалла кремния с кристаллографической ориентацией (111). На участке размером 7 х 7 нм визуализирована форма внешних электронных оболочек атомов кремния, лежащих на поверхности, а также расположенных в следующем (под поверхностью) слое атомов. Разрешающая способность здесь лучше 100 пм.

Рис. 1.9. АСМ изображение поверхности монокристалла кремния

АСМ позволил проводить исследования и измерения нанообъектов не только в вакууме, но и в атмосфере того или иного газа, а в контактном режиме – даже сквозь пленку жидкости. С использованием более тонких и гибких кантилеверов удалось исследовать и визуализировать структуру "мягких" биологических объектов – органелл клеток, вирусов, генов.