Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии

• Название: Введение в нанотехнологии
• Дата: 16.10.2022
• Размер: 5.09 Mb.
• Имя файла: Лекции_Введение_в_нанотехнологии.doc
• Тип: Документы; #737269
• страница: 11 из 24

Глава 3. Инструменты нанотехнологий. Близкопольная сканирующая оптическая микроскопия

Ближнепольный оптический микроскоп (БСОМ) был изобретен вслед за сканирующим туннельным микроскопом сотрудником лаборатории IBM в Цюрихе Дитером Полем. Этот микроскоп является особой разновидностью сканирующей зондовой технологии, в которой используется видимый свет. Другое название этой методики – сканирующая световая микроскопия. Традиционно разрешение оптических микроскопов ограничено длиной волны света – примерно половиной микрона. БСОМ улучшает разрешение оптического микроскопа на порядок.

Зондом в БСОМ является «световая воронка», которой сканируют образец. Видимый свет исходит из узкого конца световой воронки диаметром 10-30 нм и попадает на детектор либо после отражения от образца, либо пройдя сквозь него. Интенсивность оптического сигнала регистрируется детектором в каждой точке измерений, а набор данных, считанных со всей сканируемой поверхности, составляет БСОМ-образ. С помощью БСОМ можно формировать изображение поверхности в видимом свете с разрешением около 15 нм при условии, что расстояние между источником света и образцом очень мало – порядка 5 нм.

Световая воронка и система поддержания постоянного расстояния между источником света и образцом – это две достаточно «тонкие» части БСОМ. Обычно световая воронка изготавливается нагреванием оптического волокна, протяжкой его до малого диаметра с последующим скалыванием с одного конца. После этого на волокно для лучшей светопроводимости наносят слой металла (металлизируют). Другой способ изготовления световой воронки предусматривает высверливание небольшого отверстия в острие пустотелой сканирующей иглы АСМ и направление внутрь ее света. Разработка эффективной световой воронки в настоящее время является областью активных исследований.

БСОМ должен поддерживать расстояние между острием сканирующей иглы и образцом постоянным, чтобы получить простое оптическое изображение поверхности. Для этого могут быть использованы традиционные для АСМ методики поддержания постоянного отклонения измерительной консоли. Уникальность ближнепольной оптической микроскопии, по сравнению с другими сканирующими методами, состоит в том, что изображение строится непосредственно в оптическом диапазоне, в том числе видимого света, однако разрешение многократно превышает разрешение традиционных оптических систем.

Глава 3. Инструменты нанотехнологий. Зондовая нанотехнология (нанолитография)

Еще одним необычным и интересным методом использования сканирующей зондовой микроскопии является то, что он может быть не только инструментом исследования, но и инструментом создания нанообъектов (см., например, рис. 3.13). Данный метод получил название нанолитографии. Путем приложения повышенного напряжения или усилия зонд может вырвать (захватить) атом с поверхности образца и потом перенести его в другое место. Таким образом, возникает возможность поатомной сборки любых молекул и наноструктур, а в перспективе – их производство в макроскопических объемах.

В 1985 году в США был получен патент, в котором описывалась возможность переноса атомов с острия зонда СТМ на образец.



Рис. 3.13. Портрет Ж.И. Алферова, Российского Нобелевского лауреата по физике (2000) (АСМ-литография, изображение получено с помощью методики локального зондового электрического кисления на сверхтонкой титановой пленке)

В исследовательском центре корпорации IBM, сотрудники которой изобрели СТМ, удалось написать название компании с помощью 35 атомов ксенона на золотой пластинке. Так было положено начало зондовой нанотехнологии, или, как ее еще называют, нанолитографии.

В настоящее время существует несколько способов перемещения и сборки наноструктур из отдельных атомов и молекул с помощью зондовых микроскопов.

Первый метод заключается, как описано выше, в захвате и перемещении атомов путем приложения повышенного напряжения. При этом образец должен находиться в глубоком вакууме, иначе вся поверхность быстро покроется слоем атомов из окружающей среды. На основе этого метода был создан метод зондовой нанолитографии в жидких и газовых средах. Заполняя зазор между образцом и зондом инертными газами, можно получить почти такие же результаты, как и в вакууме. Кроме того, вводя в зазор специально подобранные вещества и изменяя напряжение, можно добиться протекания химических реакций в точке касания зонда с поверхностью. Примером такой технологии служит метод локального анодного окисления тонких металлических пленок. Метод позволяет получать на поверхности металла рисунок из его оксидов с толщиной линий всего несколько десятков нанометров. Его используют для создания электронных схем сверхмалых размеров.

АСМ также можно использовать не только для изучения, но и для модификации поверхности. Самый простой способ – «царапанье» поверхности. С помощью непосредственного контакта острия зонда с поверхностью можно получать канавки на поверхности или разравнивать неровности. Для этого применяют зонды из твердых материалов, например из алмаза. Возможности АСМ по модификации поверхности можно расширить, если сделать зонд проводником. С появлением возможности пропускания электрического тока между образцом и зондом появляется возможность локального нагрева поверхности, управления протекающими в зоне контакта химическими реакциями, переноса атомов и молекул от зонда к образцу и наоборот. Возможности по модификации поверхностей с помощью АСМ приближаются к возможностям СТМ, и в то же время сохраняется возможность просмотра созданных структур, в том числе и тех, которые не проводят электрический ток.

Одной из основных проблем зондовых нанотехнологий является их низкая производительность. Одиночный зонд даже при максимальной скорости работы не может обеспечить выпуск изделий в больших объемах.

Сейчас этот недостаток преодолевается путем создания многозондовых устройств. В таких устройствах наноструктуры создаются одновременно несколькими десяткам или даже тысячами зондов.