Презентация, доклад ПО ТЕМЕ ИНСТРУМЕНТЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

МБОУ СОШ №1 п. Никель
Полетаева Н.В. МБОУ СОШ №4 г. Полярные Зори
Бердина Н.А. МБОУ гимназия № 1г. Полярные Зори

зрения, равном 25 см, величину порядка 0,1 мм.
Для изучения более мелких объектов применяются различные оптические приборы – как простейшие, например лупа, так и более сложные, состоящие из нескольких линз – оптические микроскопы.
Современные оптические микроскопы дают увеличение в 1500 раз, это означает, что с их помощью можно различать объекты размером порядка  м, т. е. в сотни нанометров.

микроскопия

Полевая ионная микроскопия

Близкопольная сканирующая оптическая микроскопия

Зондовая нанотехнология (нанолитография)

первый просвечивающий электронный микроскоп, использующий для построения изображения вместо световой волны поток электронов.

Схема работы просвечивающего электронного микроскопа

при помощи электрического и магнитного поля; электронные пучки отклоняются электрическими и магнитными полями примерно так же, как световые лучи – оптическими линзами, поэтому для их фокусировки в устройстве микроскопа ученые применили электронные линзы.
«Электронные линзы» - устройства фокусировки и рассеивания электронного пучка.

нить, испускает электроны, которые проходят через электронную линзу-конденсор, регулирующую интенсивность потока излучения, и освещаемую площадь поверхности исследуемого образца, а затем через линзу-объектив проецируются на люминесцентный экран, позволяющий преобразовать «электронную тень» в обычное изображение, которое можно сфотографировать или же наблюдать непосредственно.

ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП

быть создан вакуум;
2) исследуемый образец должен быть тонким (порядка 100нм, и его изготовление является сложной задачей).

ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП

в 1935 году, а первая реальная установка была создана М. фон Арденне в 1936 году. Развитие по различным техническим причинам установка получила лишь в 60-х годах XX века.

что даёт возможность получать информацию о её структуре .
На этом же принципе основано, например, построение изображения на экране телевизора (растра).

Схема работы растрового электронного микроскопа

Источник электронов

Ускоряющая систем

Магнитная линза

Образец

Детектор отраженных
электронов

Кольцевой
детектор

Анализатор

разрешением 0,05 нм

РАСТРОВЫЙ (СКАНИРУЮЩИЙ) ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП

точке, которая при помощи отклоняющей системы перемещается по поверхности, сканируя её;
разрешающая способность просвечивающих электронных микроскопов достигает 0,05 нм, что даёт возможность получать изображения отдельных атомов и молекул. Разрешающая способность растровых электронных микроскопов приближается к этой величине и достигает в настоящее время 0,2 нм.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПО СРАВНЕНИЮ С ЭЛЕКТРОННЫМ ПРОСВЕЧИВАЮЩИМ МИКРОСКОПОМ

Поскольку в данном случае электроны, участвующие в построении изображения, не проходят через исследуемый образец, то
нет ограничений на толщину образца, и его подготовка существенно упрощается;
нет необходимости поддерживать внутри установки глубокий вакуум, что упрощает.

РАСТРОВЫЙ (СКАНИРУЮЩИЙ) ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП

ПРИНЦИПИАЛЬНОЕ ОТЛИЧИЕ ОТ ЭЛЕКТРОННОГО ПРОСВЕЧИВАЮЩЕГО МИКРОСКОПА

1951 году.
По принципу действия ионный микроскоп аналогичен электронному микроскопу.
Проходя через объект и испытывая в различных его участках рассеяние и поглощение, ионный пучок фокусируется системой электростатических или магнитных линз и даёт на экране или фотослое увеличенное изображение объекта.

иона во много раз больше массы электрона, поэтому дебройлевская длина волны, определяемая
формулой , у такой частицы оказывается во столько же раз меньше (при одинаковом ускоряющем напряжении), что теоретически должно привести к соответствующему увеличению разрешения.
Исследование живых объектов при помощи такого микроскопа невозможно.

ПОЛЕВОЙ ИОННЫЙ МИКРОСКОП

ионно-оптический прибор для получения увеличенного в несколько миллионов раз изображения поверхности твёрдого тел.
Разрешающая способность ионного проектора составляет 0,2–0,3 нм.

Схема ионного проектора

Жидкий водород

Жидкий азот

Острие

Проводящее
кольцо

Экран

ПОЛЕВОЙ ИОННЫЙ МИКРОСКОП

в гелиевом ионном проекторе при температуре 22 К.
За счёт разрешения отдельных атомов (светлые точки на кольцах) можно различить бисерно-цепочечную структуру ступеней кристаллической решетки.

Острие вольфрама

ПОЛЕВОЙ ИОННЫЙ МИКРОСКОП

различных сплавов и её связи с их механическими свойствами; всевозможных дефектов в кристаллах; влияния способов обработки, например пластических деформаций, на свойства материалов.
С его помощью изучают процессы коррозии, адсорбции и десорбции, свойства тонких пленок, осаждённых на поверхности металлов.
В настоящее время ведутся работы, ставящие целью изучение с помощью ионного проектора структуры биологических молекул.

ПОЛЕВОЙ ИОННЫЙ МИКРОСКОП

из лаборатории IBM, которые в 1981 году представили свое изобретение – сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).
Позднее, когда результаты их работы удалось воспроизвести в других лабораториях, они были удостоены Нобелевской премии за работы в области физики.

с очень острым концом – всего несколько атомных радиусов.
Для объяснения принципов работы зондовой микроскопии будем говорить о силе взаимодействия между зондом и образцом, которая может относиться к механическому, электрическому, магнитному и другим видам взаимодействия.

СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП

образца при движении зонда над поверхностью.

Изменение расстояния между зондом и поверхностью образца при перемещении зонда над атомами поверхности

СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП

во взаимодействие зонда и образца вносит сила, возникающая между атомом на острие зонда и ближайшими атомами образца.
Если научится передвигать зонд на расстояние меньше, чем половина атомного радиуса, и измерить, как при этом изменится сила взаимодействия, то можно «почувствовать» отдельные атомы на поверхности. Зонд перемещается от точки к точке на поверхности образца, замеряя силу взаимодействия.

СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП

на котором видно расположение отдельных атомов.

Обобщенная структурная схема сканирующего зондового микроскопа

СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП

СТМ был первым устройством, давшим реальные изображения поверхностей с атомным разрешением

Поатомное изображение поверхности монокристаллического кремния

СКАНИРУЮЩИЙ ТУНЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП

возникать в различных средах и иметь различную природу.
Туннельный ток возникает между зондом и образцом, если приложить напряжение, несколько меньше, чем нужно для отрыва электронов из образца. В силу законов квантовой механики, вероятность выхода электрона с поверхности все же существует. Главная в данном случае особенность туннельного тока – экспоненциальная зависимость от расстояния между поверхностью образца и зондом.

СКАНИРУЮЩИЙ ТУНЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП

прикладывается рабочее напряжение порядка 1 В, и при подводе острия к образцу примерно на 0,5-1,0 нм электроны с образца начинают «туннелировать» через зазор к острию.

Схема работы сканирующего туннельного микроскопа

СКАНИРУЮЩИЙ ТУНЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП

величине тока в каждой точке восстанавливается рельеф поверхности.
От качества иглы и радиуса ее острия будет зависеть качество получаемого скана и разрешающая способность СТМ. Промышленные зонды имеют радиус острия иглы порядка нескольких атомных слоев.

Схема работы сканирующего туннельного микроскопа

СКАНИРУЮЩИЙ ТУНЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП

высокой чувствительности СТМ способен формировать изображения поверхностей с точностью до сотых долей нанометра по вертикали и с точностью до размеров атомов по горизонтали.
На основе общего принципа работы СТМ (принципа измерения туннельного тока) разработан ряд методик, которые применяются для исследований различных материалов и образцов.

СКАНИРУЮЩИЙ ТУНЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП

быстрый, так как системе не приходится передвигать сканирующее устройство вверх и вниз, но при этом можно получить полезную информацию только с относительно гладких поверхностей. В режиме постоянного тока можно с высокой точностью измерять нерегулярные поверхности, но измерения занимают больше времени.

Схема работы СТМ: а) в режиме постоянной высоты; б) в режиме постоянного тока

СКАНИРУЮЩИЙ ТУНЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП

Г. Биннинг совместно с К. Куэйтом и К. Гербером разработали новый тип микроскопа, который назвали атомно-силовым микроскопом (АСМ). Как и СТМ он является зондовым сканирующим микроскопом, но измеряемой величиной является не туннельный ток, а непосредственно сила взаимодействия острия иглы и поверхности образца.
Новый микроскоп позволил обойти ограничения своего предшественника. С помощью АСМ можно получать изображения поверхности как проводящих, так и непроводящих материалов с атомарным разрешением, причем в атмосферных условиях. Дополнительным преимуществом атомно-силовых микроскопов является возможность, наряду с измерениями топографии поверхностей, визуализировать их электрические, магнитные, упругие и другие свойства

начинают все сильней притягиваться к атомам образца. Сила притяжения будет возрастать до тех пор, пока атомы не сблизятся настолько, что их электронные облака начнут отталкиваться. При дальнейшем уменьшении межатомного расстояния электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются при расстоянии между атомами порядка двух ангстрем.

Кривая зависимости межатомной силы, определяющей соответствующие режимы работы АСМ, от расстояния между острием иглы и образцом

АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОП

микроскопе (увеличение X1000);
б) игла кантилевера после использования (увеличение X3000)

Основным измерительным инструментом АСМ является тонкая консоль, или кантилевер (от англ. cantilever) c закрепленным на конце зондом. С помощью лазерных датчиков изгиб консоли измеряется с ангстремной точностью, и по ее известной жесткости вычисляется сила взаимодействия зонда с поверхностью образца

АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОП

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.

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.

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.

БЛИЗКОПОЛЬНЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП

микроскопии является то, что он может быть не только инструментом исследования, но и инструментом создания нанообъектов . Данный метод получил название нанолитографии.

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.

острия зонда с поверхностью можно получать канавки на поверхности или разравнивать неровности. Для этого применяют зонды из твердых материалов, например из алмаза.
Одной из основных проблем зондовых нанотехнологий является их низкая производительность.

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

ЗОНДОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ (НАНОЛИТОГРАФИЯ)