Туннельная микроскопия: российские учёные заглянули внутрь атома

• 


• Атом_вольфрама

Электронная структура атома вольфрама на острие зонда. Изменение расстояния между атомом вольфрама на острие зонда и атомом углерода поверхности графита позволяет «прощупывать» различные орбитали электронов в атоме вольфрама. Изображения получены Александром Чайкой в ИФТТ РАН на микроскопе GPI-300. Указаны масштабы по горизонтали и вертикали – 30 пикометра (0,03 нм)

Современные нанотехнологии невозможны без точнейшего исследовательского оборудования, позволяющего проникать внутрь структуры вещества и «видеть» отдельные атомы. Один из мощнейших инструментов подобного рода появился в 1980-е годы: именно тогда был создан сканирующий туннельный микроскоп, позволивший визуализировать атомы на поверхности тел. А уже в 1986 году за это изобретение сотрудникам Исследовательского центра компании IBM в Цюрихе Герду Биннигу и Генриху Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике.

Дальнейшие успехи сканирующей туннельной микроскопии связаны с разработкой и развитием новых методик, позволяющих углубленно изучать свойства отдельных атомов и молекул, а также с улучшением пространственного разрешения СТМ. И в этой области российские ученые оказались среди лидеров. Совсем недавно исследователи из лаборатории спектроскопии поверхности полупроводников Института физики твердого тела РАН (ИФТТ РАН) «пробили путь» уже внутрь атома: они предложили метод подготовки вольфрамовых зондов для сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) пикометрового (1 пикометр = 0,001 нм) разрешения, позволяющих получать изображения отдельных орбиталей электронов. Их статья опубликована в престижном журнале Scientific Reports (Nature Publishing Group).).

Справка STRF.ru:
Самый известный пример успешно работающих, теперь уже массовых нанотехнологий, – электронные компоненты. С начала этого века область, которая ранее именовалась микроэлектроникой, перешла на новый уровень и стала наноэлектроникой: в 2003 году Intel стал использовать нанометровую технологию процессоров (менее 100 нм, в настоящее время 32 нм). Это массовая, серийная продукция, которая используется в любом современном компьютере. Уменьшение размеров процессоров позволяет существенно увеличить тактовую частоту и количество транзисторов при уменьшении тепловыделения.
В наноэлектронике СТМ используется не только как инструмент исследования, но и как инструмент создания нанообъектов. В исследовательском центре корпорации IBM, сотрудники которой изобрели СТМ, в 1990 году удалось написать название компании с помощью 35 атомов ксенона на поверхности кристалла никеля. Так было положено начало зондовой нанотехнологии, или, как ее еще называют, нанолитографии. Зонд может вырвать (захватить) атом с поверхности образца и перенести его в другое место. Первый патент, в котором описывалась возможность переноса атомов с острия зонда СТМ на образец, был получен в США в 1985 году. В совместной работе, выполненной ирландскими и российскими исследователями и опубликованной в декабрьском номере журнала Nano Research, демонстрируется возможность нанолитографии при удалении атомов кислорода с поверхности оксида молибдена с помощью монокристаллических вольфрамовых зондов СТМ

Работу сканирующего туннельного микроскопа, использующего квантовый эффект туннелирования электронов, можно описать как «прощупывание» поверхности твердого тела. Очень тонкая игла-зонд (толщиной в один атом) перемещается над поверхностью изучаемого объекта на расстоянии, порядка одного нанометра. При таких малых расстояниях электроны туннелируют, то есть, преодолевают вакуумный барьер и между зондом и поверхностью образца возникает ток. По величине изменения туннельного тока при перемещении зонда вдоль поверхности рельеф её исследуется как бы «на ощупь».

Разрешение, экспериментально продемонстрированное в работе ученых ИФТТ, было достигнуто на сканирующем туннельном микроскопе, разработанном исключительно российскими исследователями. Прототип прибора был создан С.Л. Прядкиным с коллегами в ИФТТ РАН, а окончательный вариант сверхвысоковакуумного микроскопа – GPI-300 появился благодаря группе К.Н. Ельцова из ИОФ РАН. Энтузиасты работали над созданием прибора в 1990-е годы, в эпоху перемен и недофинансирования российской науки. Поддержку им оказывал тогдашний руководитель ИОФ РАН, Нобелевский лауреат 1964 года по физике Александр Михайлович Прохоров.

В своей работе, опубликованной в Scientific Reports, исследователи показали возможность визуализации электронной структуры отдельного атома (см. фото). Уникальное разрешение достигнуто на уровне отдельных орбиталей электронов в атоме, чего раньше не получалось даже на сканирующих туннельных микроскопах, работающих при сверхнизких температурах.

«Первый раз такое разрешение мы получили в начале 2009 года, – рассказывает Александр Чайка, старший научный сотрудник лаборатории спектроскопии поверхности полупроводников ИФТТ РАН, – а статью с изображением атомных орбиталей вольфрама удалось опубликовать только в декабре 2010 года, после того как она была отклонена в пяти журналах – были и сомнения в воспроизводимости эксперимента, и неприятие нашей трактовки полученных результатов, и неверие в возможность достижения высокого разрешения при комнатной температуре. Мы были вынуждены проделать огромную техническую работу, несколько раз воспроизвести эксперимент и показать, какими зондами снимались орбитали, чтобы убедить научную общественность в достоверности наших данных. Надеюсь, последняя статья, на сайте Nature, должна снять вопросы оппонентов».

Это не первая публикация авторов по орбитальному разрешению в СТМ. В 2007 году была опубликована статья в Phys. Rev. Letters, но именно в работе с вольфрамовой иглой впервые экспериментально было показано, как меняется электронная структура атомов при образовании связей между ними и как можно контролировать процесс «прощупывания» атомных орбиталей. Эта работа важна, в первую очередь, как методика для получения стабильно высокого разрешения в СТМ и определения химической природы отдельных атомов на поверхности образца.

Высокое разрешение с помощью монокристаллических вольфрамовых зондов было получено при исследовании разных систем, представляющих интерес для науки и технологий: Si(557), GaTe, графен/SiC(001). В частности, в последней работе авторы экспериментально наблюдали случайные деформации углеродных связей пикометрового масштаба в графене. На данный момент, такое разрешение – рекорд для СТМ. Именно оно позволило определить структуру и свойства графена, выращенного авторами на экономичной кремниевой подложке Si(001), используемой в современной электронике. Это показывает важность улучшения разрешения сканирующих зондовых микроскопов для развития технологий атомного масштаба.

Исследования российских ученых выполнены при поддержке Программ Российской Академии Наук (2004–2013 гг.), РФФИ и Европейской рамочной программы FP7.