Основные направления

Сканирующая зондовая микроскопия

В сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) используется взаимодействие между твердотельным нанозондом, приближенным к объекту исследования на некоторое малое расстояние - характерную длину затухания взаимодействия «зонд-объект». Для получения изображения объекта используются прецизионные системы механического сканирования нанозондом над образцом (или образцом над зондом), причем система автоматического регулирования стабилизирует параметры наноконтакта между зондом и объектом в процессе сканирования. Пространственное разрешение сканирующих зондовых микроскопов определяется характерным размером наноконтакта между зондом и образцом. Образно выражаясь, можно сказать, что образец ощупывается и обстукивается.

Первым СЗМ прибором с нанометровым пространственным разрешением, по-видимому, следует считать профилометр Р.Янга, в котором детектировался автоэмиссионный ток между сканирующим металлическим нанозондом и исследуемой поверхностью. Экспериментальный подход Р.Янга получил блестящее развитие в работах Г.Биннига и Г.Рорера, которые привели к появлению СТМ с атомным пространственным разрешением и были удостоены Нобелевской премии по физике в 1986 г.

В зависимости от природы взаимодействия между нанозондом и объектом СЗМ приборы включают в себя:

  • сканирующие туннельные микроскопы (СТМ) – детектируется туннельный ток, протекающий между нанозондом и объектом;
  • сканирующие силовые микроскопы (ССМ) – детектируется локальная сила, действующая между нанозондом и объектом, причиной которой может быть Ван-дер-Ваальсовское, электростатическое, магнитное взаимодействия, трение и т.п.;
  • оптические микроскопы ближнего поля (ОМБП) – детектируются оптические фотоны, возникающие в области ближнего поля у поверхности объекта, интенсивность которых экспоненциально затухает при удалении от поверхности на расстояние, соизмеримое с длиной волны света;
  • сканирующие акустические микроскопы (детектируются звуковые колебания) и т.п.

Наиболее широкое применение метод СЗМ находит при диагностике поверхности. В условиях сверхвысокого вакуума он позволяет визуализировать структуру поверхности с атомным разрешением, наблюдать сверхрешетки, возникающие в результате перестройки поверхностных атомов, атомные и субатомные ступеньки, химические реакции на поверхности и т.п.

Используя режим локальной упругой туннельной спектроскопии, определяют особенности в плотностях электронных состояний на поверхности металлов, полупроводников, сверхпроводников, измеряют положение краев валентной зоны, зоны проводимости, примесные уровни в полупроводниках, измеряют ширину энергетической щели, визуализируют магнитные вихри в сверхпроводниках, используя магнитные зонды, проводят локальные спинзависимые измерения.
Используя режим локальной неупругой электронной туннельной спектроскопии, можно определить энергию молекулярных или коллективных (фононы, плазмоны) колебаний.

Используя режим силовой микроскопии, получают информацию о наноструктуре поверхности, визуализируют магнитные домены в ферромагнетиках, определяют пространственное распределение легирующих примесей в полупроводниках, измеряют локальный электрический потенциал, исследуют полимеры, определяют пространственное распределение жесткости на поверхности композитных материалов, исследуют адгезию и трение.

В области контакта «нанозонд-образец» можно создавать высокие напряженности электрического поля, электрические токи с большой плотностью, высокие механические давления, проводить локальное окисление поверхности. Все эти факторы позволяют модифицировать поверхность в режиме сканирующей зондовой литографии, применяемой в нанотехнологии.

СЗМ может функционировать как в вакууме, так и в газе или в жидкости. Последний факт обуславливает широкие возможности метода в области биотехнологии и медицины. С помощью СЗМ могут быть визуализированы клетки, бактерии, вирусы, белки и белковые комплексы, биологические молекулы в том числе, находящиеся в функционально активном состоянии в биологической жидкости. При этом СЗМ-метод позволяет не только визуализировать с высоким пространственным разрешением, например, структуру отдельной клетки, но и измерять локальную жесткость клеточной стенки или визуализировать ионные каналы в клеточной мембране. Все это делает СЗМ-метод привлекательным для цитологии, молекулярной и клеточной медицины, фармакологии.

В лаборатории сканирующей зондовой микроскопии и спектроскопии ИАП РАН, начиная с 1984 года ведутся научные исследования и опытные разработки в области сканирующей зондовой микроскопии, спектроскопии и нанолитографии.

ИАП РАН, Рижский пр., 26., Санкт-Петербург, 190103
тел.: (812) 3630719, факс: (812) 3630720, mail: iap@ianin.spb.su