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

Основные положения лекции 1

Наноэлектронная элементная база информатики (НЭБИ) – это система наноразмерных структурных элементов, способов и методов их соединения и взаимодействия, необходимая для построения технических средств информатики. Это также научно-техническая дисциплина, изучающая и описывающая принципы построения НЭБИ.

К наноразмерным структурным элементам в данном учебном пособии относятся структурные элементы с размерами от 1 до 1000 нм.

Становление и развитие НЭБИ является закономерным продолжением развития микроэлектроники и многих других областей науки и техники. Предпосылки становления НЭБИ вызревали давно, но бурное ее развитие наблюдалось лишь в последние десятилетия. Ныне продолжается "героический период" НЭБИ, когда одновременно развиваются много разных традиционных и новых направлений. Какие из них останутся на основном пути развития наноэлектроники, станут экономически наиболее выгодными, – покажет лишь время. Поэтому мы ознакомим вас со всеми перспективными направлениями развития НЭБИ, раскрывая принципы и идеи, лежащие в их основе.

Уже с 30-х годов ХХ в. ученые начали создавать и совершенствовать средства, с помощью которых можно было бы "рассматривать" и контролировать элементы нанометровых размеров. Первыми были созданы просвечивающие электронные микроскопы. Однако они позволяют исследовать лишь относительно тонкие пленки. Нанообъекты на поверхности относительно толстых образцов можно было исследовать лишь методом реплик. В середине 60-х годов ХХ в. началось серийное производство растровых электронных микроскопов (РЭМ), которые обеспечивают широкий диапазон увеличений – от 10х, как обычная оптическая лупа, до 1000000х. Изображение в РЭМ можно формировать, используя сигналы вторичных электронов, обратно рассеянных электронов, катодолюминесценции и характеристического рентгеновского излучения. В последних трех случаях разрешающая способность РЭМ значительно ниже, чем в режиме регистрации вторичных электронов, зато можно анализировать химический состав образца на глубине до нескольких микрометров.

Довести разрешающую способность до субнанометрового, атомарного уровня удалось с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). В нем для исследования используют вольфрамовый зонд, острие которого имеет радиус закругления порядка 1 нм. Для поддержания зонда на заданном очень малом (порядка 0,1-5 нм) расстоянии от поверхности электропроводящего образца используют обратную связь по туннельному току и прецизионное перемещение зонда с помощью пьезоэлектрика. Разрешающая способность СТМ определяется в основном размером острия зонда и его расстоянием от исследуемой поверхности. С помощью СТМ впервые удалось прямо наблюдать атомарное строение вещества. Ограничением СТМ является возможность исследовать лишь электропроводящие образцы – металлы, полупроводники, сверхпроводники.

В 1986 г. был создан сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ). Зонд в АСМ размещают, как правило, на кончике кантилевера, а для поддержания острия зонда на заданном малом расстоянии от исследуемой поверхности используют силы межатомного взаимодействия. Для точных измерений положения зонда используют световой луч, отраженный от конца кантилевера, и матричный фотоприемник. При работе АСМ в контактном режиме острие зонда находится на очень малом расстоянии от атомов исследуемого образца, когда преобладают силы межатомного отталкивания. При работе в бесконтактном режиме острие зонда находится несколько дальше от атомов исследуемого образца, когда преобладают силы притяжения между атомами. В обоих режимах можно проводить как растровое сканирование образца, так и сканирование вдоль заданной линии. Если зонд достаточно тонок, то в АСМ достигается разрешающая способность, достаточная для того, чтобы визуализировать форму даже отдельных молекул и атомов. В режиме измерения сил взаимодействия между атомами или молекулами зонд размещается над заданной точкой на поверхности образца и постепенно, малыми шагами как бы осторожно "ощупывает" исследуемый нанообъект со всех сторон. На каждом шаге измеряются вертикальная и латеральная компоненты силы взаимодействия. По полученным результатам строится трехмерная карта распределения сил.

АСМ позволил проводить исследование и измерение 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. Были развиты и новые варианты техники наблюдений: магнитно-силовая микроскопия, магнитно-резонансная силовая микроскопия, электросиловая микроскопия Кельвина, емкостная электросиловая микроскопия, атомно-силовая микроскопия с химическим контрастом и т.п.

Важной вехой стало создание сканирующих оптических микроскопов ближнего поля (СОМБП). В них тоже используют наноразмерный, но теперь уже оптический зонд в виде заостренного керна тончайшего оптического волокна с диаметром острия порядка нескольких нанометров. Если расстояние между зондом и исследуемым образцом таково же, как и размер отверстия оптического зонда, то в пределах ближнего поля просочившийся свет взаимодействует с близлежащим участком образца и несет информацию о локальных (в пределах нанометров) свойствах материала. Организация прецизионного сканирования оптического зонда вдоль поверхности исследуемого образца подобна организации сканирования в СТМ и АСМ. Но способ поддержания острия зонда на заданном малом расстоянии от поверхности образца отличается. С помощью СОМБП можно исследовать детали размером менее 100 нм, увидеть структуру световых волн в тонкопленочных оптических волноводах, исследовать плазмонные волны и т.п.

Развитие описанных выше методов микроскопии (точнее наноскопии) создало предпосылки для становления нового раздела метрологии, который логично назвать "нанометрологией". В частности в 1997 г. узаконены удобные для нанометрологии первичные эталоны метра и частоты, которые основаны на применении -лазера с эталонной частотой колебаний и эталонной длиной волны. При применении современных интерферометров эти эталоны гарантируют измерение нанометровых расстояний с точностью до 8 десятичных знаков.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. Расшифруйте аббревиатуру НЭБИ.
2. Что такое "Наноэлектронная элементная база информатики"?
3. Каких размеров структурные элементы мы относим к наноэлектронной элементной базе информатики?
4. Назовите источники создания наноэлектронной элементной базы информатики. На каком этапе становления НЭБИ мы сейчас находимся?
5. Почему обычные оптические микроскопы стали малопригодными для развития наноэлектронной элементной базы информатики?
6. Почему не созданы рентгеновские микроскопы?
7. Чем отличаются просвечивающие электронные микроскопы от растровых? Кратко охарактеризуйте их.
8. Запишите и расшифруйте формулу де Бройля для расчета длины волны ускоренных электронов.
9. Чем отличается работа РЭМ в режимах регистрации вторичных электронов, обратно рассеянных электронов, характеристического рентгеновского излучения? Какой из этих режимов обеспечивает наивысшую разрешающую способность? Почему?
10. В чем заключается принцип работы сканирующего туннельного микроскопа?
11. Чем определяется разрешающая способность СТМ?
12. Каков принцип работы сканирующего атомно-силового микроскопа?
13. Чем отличаются контактный и бесконтактный режимы работы АСМ?
14. Как функционирует АСМ в режиме измерения сил взаимодействия между атомами или молекулами?
15. Что такое магнитно-силовая микроскопия? Как она организована?
16. Каков принцип работы сканирующих оптических микроскопов ближнего поля?
17. Чем отличается способ поддержания острия зонда на заданном малом расстоянии от поверхности образца в СОМБП?
18. Чем отличаются в СОМБП режим облучения зондом и режим просачивания?
19. Что такое "нанометрология"? Какие эталоны в ней применяют?