Нанотехнологии
Принципиальная разница со всем предшествующим процессом миниатюризации — переход к области атомно-молекулярных размеров, где работают иные законы. До сих пор в распоряжении технолога были куски вещества, достаточно большие, чтобы не думать об отдельных составляющих их атомах. Теперь положение изменилось, нанотехнолог — это тот, кто оперирует атомами и молекулами. Тем самым в его распоряжении оказываются возможности, которые, как многие верят, сравнимы с возможностями Господа Бога при сотворении мира.  Собственно область наноразмеров — интервал 10-1 - 10 нм, впрочем, из дальнейшего будет понятно, что интересующий нанотехнолога интервал размеров определяется не арифметическими соображениями. Размеры элементов электронных схем уже достигли величины примерно 0,1 микрона или 100 нанометров. Уменьшение еще в несколько раз потребует смены всего технологического уклада — перехода на нанотехнологии. Последняя строка таблицы приведена лишь для справки — много порядков величины отделяет интересующий нанотехнолога диапазон длин от размеров, которыми интересуются ядерные физики. Инструменты Рентген
Длины волн рентгеновского диапазона как раз соответствуют наномасштабам и сравнимы с межатомными расстояниями и атомарными размерами. Именно поэтому рентгеновские лучи стали первым инструментом изучения атомной структуры твердых тел.
В первой половине XX века была проделана огромная работа по исследованию и систематизации с помощью рентгеновских лучей всех существующих кристаллических структур, атомной структуры молекул, дефектов и многого другого.
Схема рентгеновского спектрометра Микроскопы туннельные
Вторым по значению после рентгеновских лучей инструментом исследования атомных структур стали туннельные микроскопы. Это сугубо квантовый инструмент. Если к поверхности вещества приблизить острую иглу на расстояние менее 5 нм, становится возможным процесс туннелирования электрона между иглой и образцом. Перенос электрона есть ток, который можно измерить. Вероятность туннелирования экспоненциально, т. е. чрезвычайно резко, зависит от расстояния острие–образец. Это означает, что если двигать иглу на одной высоте вдоль поверхности, то величина туннельного тока будет отражать профиль поверхности. Как правило, однако, стандартный туннельный микроскоп работает в режиме поддержания постоянного тока, протекающего через туннельный зазор, с помощью обратной связи путем изменения расстояния острие–образец. Тогда вертикальное положение иглы будет весьма т
очно следовать профилю поверхности.
Для исследования поверхности диэлектриков не пригоден. Атомно-силовой микроскоп (АСМ)
Был создан впервые в 1986 году. Главным элементом является сканер, позволяющий отображать разные участки поверхности. Однако измеряет АСМ не ток, а силу взаимодействия между зондом и поверхностью. Острие зонда АСМ размещено на плоской упругой пластинке, которая называется кантилевер, шириной около 30 микрон и длиной более100 микрон. Верхняя сторона кантилевера является зеркальной, что позволяет использовать оптическую систему контроля изгиба кантилевера. На нижней стороне кантилевера на свободном конце находится игла, взаимодействующая с измеряемым образцом. Радиус острия иглы промышленных кантилеверов находится в пределах 5 ÷ 50 нм, лабораторных — от 1 нм. Как правило, вся конструкция, за исключением, быть может иглы, является кремниевым монокристаллом; её упругие колебания при сканировании вдоль поверхности регистрируются оптической системой.
Условная схема работы АСМ Микроскопы оптические
В конце 20-х годов XX века, после того как была доказана волновая природа электрона, возникла идея использовать для получения изображения не электромагнитные волны, а электронные. Электронная волна или поток электронов создается эмиссией из катода под действием электрического поля.
Идея электронного микроскопа получила материальное воплощение, после того, как в 1929 году немецкий физик и инженер Эрнст Август Руска сконструировал магнитные линзы с таким коротким фокусным расстоянием, что их можно было использовать для получения изображения объекта, облучаемого электронами.
Условная схема электронного микроскопа (СП и ТП — т.н. детекторы светлого и темного поля) Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (NSOM)
Мы не можем обрабатывать «оптом» приходящие от наноструктуры фотоны, ибо при этом скрадываются нужные нам детали. Но мы можем построить изображение, обрабатывая фотоны, приходящие от каждого атома, «индивидуально». Для осуществления этой идеи нужно уметь обрабатывать и детектировать единичные фотоны, нужно уметь «доставить» фотон от каждого атома к детектору и, естественно, «охватывать» достаточно значительные массивы атомов. Эти проблемы и были решены при создании NSOM.
Принцип действия микроскопа NSOM состоит в том, что изображение объекта строится по. В каждой точке излучение от образца собирается в ближнем поле зондом — заостренным кончиком оптического волокна. Величина зазора между зондом и поверхностью объекта находится в пределах 1÷10 нм. Оптическая разрешающая способность такого микроскопа определяется размером кончика зонда (апертурой) и составляет 20÷30 нм. Сканирование образца обеспечивается пьезоэлектрическим сканером полностью аналогично устройству СТМ или АСМ. «Новая» микроскопия (NSOM + фемтосекундные импульсы)
Наибольшая информация о функционировании наноустройства возникает, если мы соединяем возможности определения топографии образца с помощью СТМ или АСМ с возможностями регистрации временной динамики.
Необходимое разрешение по времени задается типом процессов, которые надо диагностировать, и связано с длительностью задающих лазерных импульсов — вплоть до фемтосекундного диапазона. Пространственное разрешение определяется величиной апертуры зонда, как правило, составляет около 50 нм и в такой схеме не может быть сделано существенно меньше.
Разрешение еще более мелких деталей с помощью «новой» микроскопии возможно в рамках безапертурной техники: лазерный импульс как бы фокусируется кончиком иглы микроскопа буквально на единичных атомах, отклик которых мы можем наблюдать. 
Схема безапертурного получения флуоресцентного изображения: слева — в изображении будет виден лишь тот объект, который выделен зондом микроскопа; справа — в схеме экспериментальной установки, зонд АСМ служит одновременно и для получения топографического изображения, и для безапертурного получения флуоресцентного изображения. Заключение
В руках нанотехнолога, таким образом, оказываются возможности наблюдения, диагностики и измерения наноструктур в пространстве, во времени и в различных диапазонах длин волн. Если перевести на язык возможностей медицины, то это будет звучать примерно так: в настоящее время нанотехнолог может быть уподоблен врачу, который способен взглянуть на любые органы и ткани пациента, способен оценить их работу во времени и получить экспресс-анализы всех мыслимых видов.
Нанотехнологическая революция, которая начала свое победное шествие, основана на вполне меркантильных интересах. Нанотехнологический ажиотаж питается отнюдь не романтическими ожиданиями и не уважением к научным открытиям. Ничего личного, речь о потенциальных доходах, которые в целом превосходят все мыслимые исторические аналоги.
Вполне возможно, что читатели знакомы с обзорами успехов звукозаписывающей индустрии. Каждый новый формат записи, появлявшийся в XX веке, вызывал большой энтузиазм у функционеров этой индустрии. Записи группы «Битлз» были проданы в миллионах экземплярах сначала на виниловых пластинках, затем на магнитофонных кассетах, затем на CD-дисках и так далее.
А теперь представьте себе, что переформатированию подлежит вообще все, что нас окружает. Полагаю, что открывающиеся возможности заработка значительно превосходят даже прибыли от гонки вооружений. Есть чему пьянить головы.
Перед нанотехнологами стоят вполне серьезные задачи, решения некоторых из них уже «на выходе». Вот некоторый перечень таких задач по степени готовности продуктов к масштабным продажам на рынке: органические светодиоды (OLED); наноэлектроника, построение новой элементной базы электроники. Использованые материалы
1. Андрюшин Е.А. Сила нанотехнологий: наука&бизнес, 2007 г.
2. Лейтон Р., Сэндс М., Фейнман Р. «Фейнмановские лекции по физике», М. 2004.
3. Бахтизин Р. З. «Сканирующая туннельная микроскопия – новый метод изучения поверхности твердых тел», СОЖ, №11, 2000, с. 83–89.
4. Мазалов Л. Н. «Рентгеновские спектры и электронная структура молекул», СОЖ, № 6, 1997, с. 77–84.
5. Рашкович Л. Н. «Атомно-силовая микроскопия процессов кристаллизации в растворе», СОЖ, №10, 2001, с. 102–108.
6. http://nanometer.ru — Нанометр. Нанотехнологическое сообщество. |
