ПОПУЛЯРНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Размещение материала

Для размещения материала в данном разделе заполните пожалуйста эту форму.

Кадры

Фотогалерея

Биржа

Аналитика

Эволюция СЗМ / 22.04.2008

© Андреюк Денис

Источник: Журнал "Российские нанотехнологии"

Автор: Андреюк Денис

Компания НТ-МДТ стояла у самых истоков сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). Сегодня в мире не осталось ни одного крупного производителя СЗМ, который бы просуществовал так долго и развивался бы так последовательно – все компании, включая Digital Instruments (американская компания, первый производитель коммерческих СЗМ приборов), были либо «проглочены» крупными промышленными концернами, либо просто разорились и сошли с дистанции. Поэтому историю развития сканирующей зондовой микроскопии можно было бы проследить на примерах из музея НТ-МДТ, подробно рассказывая о том или ином экспонате.

Однако эволюция подразумевает развитие, и нам хотелось бы в этой статье проследить тренд развития СЗМ из настоящего в будущее, сформулировать, куда сейчас направлен вектор новейших научных разработок компании.

СЗМ для широкого круга исследований – концепция НаноЛаборатории.

Вскоре после того как стало ясно, что сканирующая зондовая микроскопия дает возможность не только получать изображения наноразмерных объектов, но и проводить количественные измерения самых разных физических параметров, стала очевидной и принципиальная проблема дальнейшего развития.

Очевидно, что не может быть один и тот же прибор одинаково приспособлен для работы со всеми возможными объектами. Например, объекты клеточных биологов очень мягкие и легко подвергаются необратимому разрушению. Для работы с ними необходимы не только особые «щадящие» режимы СЗМ и специальные «мягкие» зонды, но и особые условия окружающей среды – жидкость, атмосфера с повышенным содержание СО2 и т.д. Алмазные кристаллы или сверхтвердые покрытия, напротив, слишком тверды, поэтому обычные зонды и стандартные технические решения также не годятся для изучения многих их характеристик. Для каких-то экспериментов требуются условия высокого вакуума, в каких-то случаях исследователей интересуют изменения, происходящие с образцом в ходе электрохимических превращений, для каких-то задач образец необходимо нагреть или охладить. Получается, что для успешной работы с любым «нестандартным» объектом исследователь должен найти, приобрести или изготовить «нестандартный» высокоспециализированный СЗМ прибор. Поскольку «нестандартных» объектов существенно больше, чем «стандартных», в самом ближайшем будущем научное сообщество должно было бы столкнуться с огромным разнообразием узкоспециализированных вариантов СЗМ. Наконец, это многообразие становится совсем уже невообразимым, если осознать, что для ответа на многие актуальные вопросы необходимо провести комплексное исследование образца не только с помощью СЗМ, но и другими методами – спектроскопическими, дифрактометрическими, электронно-микроскопическими и т.д.и т.п.

НТ-МДТ была первой компанией, которая пошла по пути разработки универсальной исследовательской платформы, в рамках которой можно относительно легко менять специализацию данного конкретного прибора путем замены и/или добавления отдельных модулей. Коммерческое имя платформы – ИНТЕГРА, указывает на возможность интеграции разных подходов. Так, НаноЛаборатория ИНТЕГРА Прима – это универсальный СЗМ для решения наиболее типовых, «стандартных» задач. Функциональность этого исследовательского комплекса может быть расширена в одном из семи направлений.

ИНТЕГРА Аура – измерение слабых сил.

Добавление модулей, обеспечивающих низковакуумные условия, позволяет существенно повысить чувствительность двух- и многопроходных СМЗ методик, в которых стоит цель измерить электрические или магнитные свойства образца. Дело в том, что в вакууме повышается добротность колебаний кантилевера, а значит, увеличивается чувствительность, надежность и достоверность в измерениях слабых сил. При этом переход от атмосферного давления к вакууму 10-2 торр обеспечивает почти десятикратное возрастание добротности. При дальнейшем увеличении вакуума величина добротности быстро выходит на плато. Таким образом, с точки зрения увеличения добротности кантилевера Интегра Аура представляет собой оптимальное соотношение цены и качества. Причем под ценой в данном случае подразумевается не только собственно стоимость установки. По сравнению с высоковакуумными комплексами, существенно меньшим оказывается время, необходимое для достижения необходимого уровня вакуума (в Интегра Аура вакуум, обеспечивающий 10ти-кратное увеличение добротности, достигается всего за 1 минуту!), легче становится обслуживание и т.д.

 ИНТЕГРА Максимус – автоматический сбор больших массивов данных.

Для многих индустриальных приложений принципиально важно иметь возможность исследовать большие образцы, накапливая большие массивы данных в автоматическом режиме по заранее заданным алгоритмам. Это может быть контроль качества поверхностей оптических элементов (например, исследование шероховатости поверхности линз), или определение определенных электрических параметров в заданных областях 100 мм кремниевой пластины, или тестирование большого массива микрообразцов полимерного материала для выбора оптимального сочетания механических свойств при оптимизации условий химического синтеза. Таким образом, отличительные черты данного направления развития – это а) работа с большими образцами и б) сбор больших массивов данных в автоматическом режиме.

ИНТЕГРА Терма – решение проблемы термодрейфа.

В любом зондовом микроскопе существует некоторый дрейф – неконтролируемое смещение зонда относительно образца. Оно возникает из-за того, что в работающем приборе всегда существуют градиенты температуры. Неравномерное расширение или сжатие разных деталей устройства как раз и приводит к тому, что зонд и образец с течением времени смещаются относительно друг друга. В хороших коммерческих СЗМ такой дрейф составляет 20-50 нм в час (величина дрейфа, кроме всего прочего, зависит от внешних условий – в термостатируемом помещении, в котором отсутствует циркуляция воздуха, величина дрейфов приближается к нижней границе диапазона). Такой дрейф не сказывается на результатах работы, если исследование проводится на относительно большой площади. Однако при размере скана несколько десятков нанометров для многих задач термодрейф становится критическим. Прежде всего, это эксперименты, требующие продолжительного времени. Получить единичное изображение можно меньше чем за минуту, смещение в несколько ангстрем, которое произойдет за это время, не сильно исказит картину. Однако если на небольшом поле сканирования выбран некий характерный объект, например, наночастица, и необходимо получить несколько последовательных изображений именно данной частицы с получасовыми интервалами – такая задача не под силу обычным СЗМ. Существенно затруднены из-за дрейфов оказываются эксперименты, связанные с манипуляциями нанообъектами, а также нанолитографии на малых полях. Ну и конечно, влияние температурных дрейфов приобретает колоссальное значение в тех случаях, когда температуру образца нужно менять в процессе исследования. Диапазон неконтролируемых смещений при этом (в лучших коммерческих СЗМ приборах) составляет 50-300 нм, т.е. при нагреве или охлаждении образца на 10o нужно быть готовыми к дрейфу до 3 микрон!

<< первая < пред. 1 2 3 след. > последняя >>