走査型プローブ顕微鏡。発明と生産の歴史

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走査型プローブ顕微鏡。発明と生産の歴史

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表面特性の研究における最も新しいと同時に有望な方向性は、走査型プローブ顕微鏡です。プローブ顕微鏡の分解能は記録的なもので、0,1 nm 未満です。彼らは、表面とそれをスキャンする微細な先端 (プローブ) との間の相互作用を測定し、コンピューター画面に XNUMX 次元画像を表示することができます。

走査型プローブ顕微鏡

プローブ顕微鏡法は、原子や分子を見るだけでなく、それらに影響を与えることもできます。この場合、特に重要なことは、対象物を必ずしも真空 (電子顕微鏡では通常のこと) ではなく、さまざまな気体や液体で研究できることです。

プローブ走査型トンネル顕微鏡は、1981 年に IBM Research Center の従業員である G. Binning と H. Rohrer (米国) によって発明されました。 XNUMX年後、彼らはこの発明でノーベル賞を受賞しました。

Binning と Rohrer は、10 nm 未満の表面積を研究するためのデバイスの設計を試みました。その結果は予想をはるかに超えていました。科学者は、直径わずか約 XNUMX ナノメートルの個々の原子を見ることができました。走査型トンネル顕微鏡の動作は、トンネル効果と呼ばれる量子力学的現象に基づいています。非常に薄い金属チップ (負に帯電したプローブ) をサンプル (これも正に帯電した金属) に近づけます。その瞬間、それらの間の距離がいくつかの原子間距離に達すると、電子はそれを自由に通過し始めます-「トンネル」：電流がギャップを流れます。

顕微鏡の操作にとって非常に重要なのは、トンネル電流が先端とサンプル表面の間の距離に大きく依存することです。ギャップが 0,1 nm 減少するだけで、電流は約 10 倍に増加します。したがって、原子の大きさの不規則性でさえ、電流の大きさに顕著な変動を引き起こします。

走査型プローブ顕微鏡の機械系の動作原理

画像を取得するには、プローブが表面をスキャンし、電子システムが電流を読み取ります。この値がどのように変化するかによって、先端が下がったり上がったりします。したがって、システムは現在の定数の値を維持し、先端の動きの軌跡は、丘やくぼみの周りで曲がり、表面のレリーフに従います。

先端はピエゾスキャナーを動かします。ピエゾスキャナーは、電圧の影響で変化する材料でできたマニピュレーターです。ピエゾスキャナはほとんどの場合、伸びたり曲がったりする複数の電極を備えたチューブの形をしており、XNUMX 分の XNUMX ナノメートルの精度でプローブをさまざまな方向に動かします。

先端の動きに関する情報は、画面上のポイントごとに構築される表面の画像に変換されます。わかりやすくするために、異なる高さのセクションは異なる色で塗装されています。

理想的には、プローブの先端の端に固定原子が XNUMX つある必要があります。針の先端に突起が複数ある場合、画像がXNUMX倍、XNUMX倍になる場合があります。欠陥をなくすために、針を酸でエッチングして、目的の形状にします。

トンネル顕微鏡の助けを借りて、多くの発見がなされました。たとえば、結晶の表面の原子は内部とは異なる配置になっており、しばしば複雑な構造を形成していることを発見しました。

トンネル顕微鏡の助けを借りて、導電性物体のみを調べることができます。ただし、導電性材料の表面に配置すると、薄い誘電体をフィルムの形で観察することもできます。この効果はまだ完全には説明されていませんが、それにもかかわらず、多くの有機フィルムや生物学的物体（タンパク質、ウイルス）の研究にうまく使用されています.

顕微鏡の可能性は大きい。顕微鏡の針の助けを借りて、図面は金属板にも適用されます。これを行うために、個別の原子が「書き込み」材料として使用されます-それらは表面に堆積するか、表面から除去されます。したがって、1991 年に、IBM の従業員はニッケルプレートの表面にキセノン原子を会社の名前である IBM と書きました。「I」の文字はたった 9 個の原子でできており、「B」と「M」の文字はそれぞれ 13 個の原子でできています。

走査型プローブ顕微鏡の開発における次のステップは、1986 年に Binning、Kveit、および Gerber によって開始されました。彼らは原子間力顕微鏡を作成しました。トンネル顕微鏡で決定的な役割がプローブとサンプル間の距離へのトンネル電流の急激な依存性によって果たされる場合、原子間力顕微鏡の場合、物体間の相互作用の力のそれらの間の距離への依存性は決定的な重要性。

原子間力顕微鏡のプローブは、小型の弾性板、つまりカンチレバーです。さらに、一方の端は固定されており、もう一方の端はシリコンまたは窒化シリコンの固体材料からプロービング・チップが形成されています。プローブを動かすと、プローブの原子とサンプルのでこぼこした表面との間の相互作用の力によってプレートが曲がります。このような探針の移動を実現することにより、たわみが一定のままである場合、表面プロファイルの画像を得ることが可能である。接触モードと呼ばれる顕微鏡のこの操作モードにより、研究対象のレリーフだけでなく、摩擦力、弾性、および粘度も、ナノメートルの分数の分解能で測定することができます。

サンプルと接触してスキャンすると、その変形や破壊につながることがよくあります。プローブの表面への影響は、例えば超小型回路の製造に役立ちます。しかし、プローブはポリマーの薄膜を簡単に壊したり、バクテリアを傷つけたりして、バクテリアを死に至らしめる可能性があります。これを回避するために、カンチレバーを表面近くで共鳴振動させ、表面との相互作用によって引き起こされる振動の振幅、周波数、または位相の変化を記録します。この方法により、生きている微生物を研究することができます。振動する針は、害を及ぼすことなく、穏やかなマッサージのように細菌に作用し、その動き、成長、分裂を観察することができます。

1987 年に、I. Martin と K. Vikrama-singh (USA) は、磁化されたマイクロニードルをプロービングチップとして使用することを提案しました。その結果が磁力顕微鏡でした。

このような顕微鏡により、材料の個々の磁気領域 (ドメイン) を最大 10 nm のサイズで見ることができます。また、針と永久磁石の磁場を利用して膜表面にドメインを形成し、情報の超高密度記録にも使用されます。このような記録は、最新の磁気ディスクや光ディスクよりも何百倍も高密度です。

IBM、日立、ジレット、ポラロイド、オリンパス、ジョイル、デジタルインスツルメンツなどの巨人が運営するマイクロメカニクスの世界市場には、ロシアの場所もありました。モスクワ近郊のゼレノグラードにある小さな会社 MDT の声は、ますます大きくなっています。

「人間の髪の毛の 10 分の 15 の小ささのプレートに、遠い祖先が描いた岩絵を写し取りましょう」と主任技術者の Denis Shabratov 氏は提案します。アトムが現れます。徐々にディスプレイ画面に鹿が現れ、その後にライダーが続きます。

MDTは、国内で唯一のプローブ顕微鏡とプローブのメーカーです。彼女は XNUMX つの世界のリーダーの XNUMX 人です。同社の製品は、米国、日本、ヨーロッパで購入されています。

そして、それはすべて、危機に瀕しているゼレノグラード研究所のXNUMXつの若いエンジニアであるデニス・シャブラトフとアルカディ・ゴロガノフが、生き残る方法を考えてマイクロメカニクスを選んだという事実から始まりました。彼らは、理由もなく、それが最も有望な方向であると考えました。

「強力な競争相手と競争しなければならないような複合体はありませんでした。もちろん、私たちの機器は輸入品より劣っていますが、一方で、狡猾で頭脳を使うようになります。そして彼らは私たちにとって間違いなく悪くはありません. 十分以上に耕すこと. 私たちはXNUMX時間体制で働きました.世界では、私たちはインターネットでそれについて叫び、顧客にファックスで攻撃し、一言で言えば、カエルのように足を叩き、注意を払わない.

顕微鏡製造のリーダーの XNUMX つである日本のジョイル社が非常に複雑な形状の針を探していることを知った彼らは、これが彼らのチャンスであることに気付きました。注文には多くの力と神経がかかりましたが、わずかな費用がかかりました。しかし、お金が主なものではありませんでした.今では、彼らは声を上げて宣言することができました.有名な「ジョイル」は私たちの顧客です. 同様に、ほぼ XNUMX 年半の間、MDT は米国国立標準技術研究所のために特別なプローブを無料で作成しました。そして、クライアントのリストに新しいビッグネームが登場しました。

「現在、注文の流れは、もはやすべての人を満足させることができないようなものです。供給の混乱、低品質、下請け業者の義務の欠如」.

走査型プローブ顕微鏡の出現は、コンピューター技術の急速な発展の始まりとうまく一致し、プローブ顕微鏡を使用するための新しい可能性を切り開きました。 1998 年には、走査型プローブ顕微鏡 FemtoScan-001 のモデルが、同じくインターネット経由で制御される先端技術センター (モスクワ) で作成されました。現在、世界中のどこでも、研究者は顕微鏡で作業することができ、コンピュータを離れることなく小宇宙を「見る」ことができます。

今日、そのような顕微鏡は科学研究でのみ使用されています。彼らの助けを借りて、遺伝学と医学における最もセンセーショナルな発見が行われ、驚くべき特性を持つ材料が作成されます. しかし、近い将来、主に医療とマイクロエレクトロニクスでブレークスルーが予想されます。血管を介して病気の臓器に直接薬を届けるマイクロロボットが登場し、小型のスーパーコンピューターが作成されます。

著者：Musskiy S.A.

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