Иван Измайлов

Изобретение сканирующих зондовых микроскопов открыло новую эпоху в изучении свойств поверхности твердого тела и по заслугам было оценено Нобелевской премией по физике в 1986 году. Несмотря на устоявшееся мнение о том, что отдельные атомы невозможно потрогать, в научных лабораториях их уже четверть века умеют отделять и перемещать.

Известный детский конструктор прекрасно иллюстрирует то, какое множество разнообразных устройств можно собрать из достаточно ограниченного набора исходных деталей. Так обстоят дела и во взрослом мире: из сотни химических элементов Таблицы Менделеева в природном промышленном производстве активно используется в лучшем случае два десятка. И из этого скудного набора элементов удается построить все окружающее нас богатство веществ – миллионы органических и неорганических химических соединений.

Правда, этим чудесным Строителем, создающим причудливые конструкции молекул и цепляющим один атом за другой, как правило, является сама Природа, действующая по своим, не всегда ведомым нам, законам.

Химики давно осознали важность не только того, из каких атомов состоит вещество, но и как эти атомы расположены по отношению друг к другу. Вполне солидарны с ними и технологи, знающие разницу между закаленной и отпущенной сталью или, например, между кристаллическим и аморфным кремнием.

Понимание структуры вещества всегда было заветной целью естествоиспытателей. Ученые тем или иным способом пытались выяснить структуру чугуна и булата, атомного ядра и полупроводников, ДНК и живой клетки. И когда им удавалось понять, «что у зайчика внутри» и какие микроскопические закономерности управляют макроскопическими свойствами, происходили прорывы в технологиях, открывались богатые источники энергии, рождались новые отрасли производства, появлялись удивительные приборы.

Оптический и электронный микроскопы, рентгеновские аппараты и спектрографы, синхрофазотроны и компьютерные томографы, сканирующие туннельные и атомно-силовые микроскопы – это лишь часть инструментальных вех, оставленных учеными и инженерами на пути в глубины мира. Любой из этих приборов заслуживает отдельного внимания, но сегодня речь пойдет о самых новых – сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ), позволяющих в прямом смысле слова видеть и трогать отдельные атомы.

Согласно квантовой механике и принципу неопределенности Гейзенберга одновременное измерение координат и скорости объекта с любой точностью невозможно. Из соотношения неопределенности следует, что для характерных энергий межатомного взаимодействия область местонахождения электрона совпадает с размером атома. Однако атомы, как известно, состоят не только из легких электронов, но и из массивных протонов и нейтронов, образующих их ядро. Сами атомы в десятки тысяч раз тяжелее электронов, и их положение в пространстве гораздо более определенно, чем у роящихся вокруг них внешних электронов. Благодаря большой массе атомов менее заметными становятся и их тепловые колебания, мешающие точному измерению их местоположения. Наш мир устроен так, что не только видимая глазом форма окружающих нас тел остается неизменной день ото дня, но и положение каждого конкретного атома в теле сохраняется очень долго.

Световые волны, рентгеновские лучи и пучки электронов идеально подходят на роль исследователей структуры вещества именно благодаря мягкости своего воздействия на атомы. Однако эти методы зондирования, как правило, работают с группой атомов и позволяют понять ее структуру только при наличии большого упорядоченного куска кристаллической решетки.

Знаменитая двойная спираль ДНК была разгадана более полувека назад, после того, как удалось получить достоверные рентгенограммы закристаллизованной, то есть жестко упорядоченной, молекулы жизни. Отдельные атомы и структуру их электронных облаков ученые увидели еще в 1955 году с помощью ионного микроскопа Эрвина Мюллера, позволившего спроецировать кончик тончайшей металлической иглы на огромный фосфоресцирующий экран. Но эта замечательная конструкция ни в коей мере не была универсальным прибором, позволяющим исследовать любые материалы с субмикронным разрешением.

Революция в изучении атомарной структуры поверхности началась тогда, когда такую тонкую иголочку с острием, состоящим всего из нескольких атомов, сумели использовать в качестве зонда, исследующего строение другого тела.

Так же как в любой толпе людей есть всегда кто-то крайний, так и на любой игле всегда есть атом, который находится на кончике острия. Правда, такая идеальная ситуация наблюдается только у специально заточенных игл, а у обычных на кончике имеется множество микроиголок – своеобразный лес из елок на пологом холме. Сравнение с деревьями и земными возвышенностями здесь вполне уместно, поскольку даже у самых острых швейных игл радиус кривизны острия измеряется десятками микрон, в то время как атомарное микроострие имеет толщину порядка десятка нанометров, то есть в тысячу раз меньше. Именно самым высоким острием и его крайним атомом и происходит ощупывание изучаемой поверхности в сканирующем туннельном зондовом микроскопе (СТМ).

О том, что твердое тело остается твердым и на уровне отдельных атомов, ученые узнали еще во время исследований внутренних различий трех агрегатных состояний вещества – твердого, жидкого и газообразного. Однако только во второй половине ХХ века удалось найти те физические эффекты, которые позволили ощутить контакт двух тел в тот момент, когда соприкоснулись всего два атома, принадлежащих разным телам. Как и следовало ожидать, таким эффектом оказалось квантовое явление – туннельный ток.

В металлах существует множество электронов, свободно перемещающихся по всему объему проводника. Этот своеобразный электронный газ обеспечивает высокую электропроводность серебра, меди, алюминия и других металлов. Электроны, свободно перемещаясь внутри проводника, не могут, однако, его просто так покинуть. Для выхода из толщи металла им надо преодолеть некий потенциальный барьер, то есть своеобразную стенку, которую не перепрыгнешь, не разогнавшись.

В вакуумных фотоэлементах, превративших с помощью звуковой дорожки немое кино в говорящее, энергию электронам сообщали кванты света. В туннельном сканирующем микроскопе электронам приходится перепрыгивать через вакуумный промежуток под действием небольшого электрического поля. Разность потенциалов между иглой и образцом в этом случае бывает существенно меньшей, чем высота потенциального барьера.

Решающее значение для создания сканирующего зондового микроскопа имела очень резкая зависимость туннельного тока от величины зазора между двумя проводниками. При увеличении расстояния между зондом и поверхностью всего на несколько ангстрем (1 ангстрем = 0,1 нм = 10-10 м) этот ток уменьшается в сотни раз. Благодаря сильной зависимости туннельного тока от расстояния большая его часть течет именно через крайний атом зондирующего острия. Сканирующие зондовые микроскопы как раз и обнаруживают атомарную поверхность, ориентируясь на этот ток. Рабочий ток в таких микроскопах колеблется от десятка пА (10-12 А) до единиц нА (10-9 А). А это значит, что за одну секунду через крайний атом пролетает от сотни миллионов до десятка миллиардов электронов. Для обычных металлов это крайне большая плотность тока (тысячи ампер на квадратный миллиметр). Так что любой проводник мгновенно расплавился бы при такой токовой нагрузке. Однако превращение кинетической энергии туннелировавшего электрона в тепло происходит на значительном удалении от одноатомарного острия, то есть там, где имеется много атомов, способных рассеять выделяющееся тепло по всему объему зонда.