AtomLab_labwork_6-1 (829318), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Правда, стоит учесть определенное научное везение создателей. Так, вкачестве одного из своих первых образцов они взяли монокристалл золота. Впоследствии оказалось,что золото один из наиболее удобных для достижения атомарного разрешения материалов в СТМ. Аведь возьми они «неподходящий» образец, после нескольких «бесплодных» попыток увидеть атомы,они могли бросить свое начинание. Итак, теперь человек смог практически напрямую увидеть атомы!Это было достижение, которое оценил весь мир, и уже в 1986 году создатели Г. Бинниг и Г. Рорербыли удостоены Нобелевской премии по физике «за изобретение сканирующего туннелирующегомикроскопа». За свою работу исследователи получили и другие награды.
В 1984 г. они разделилипремию Хьюлетта-Паккарда Европейского физического общества и международную научнуюпремию короля Фейсала и правительства Саудовской Аравии за усилия по созданию сканирующеготуннелирующего микроскопа и т.д.В 1986 году группа с участием Биннига сконструировала атомно-силовой микроскоп. Чутьпозже появились магнитно-силовой микроскоп, ближнеполный оптический микроскоп,электросиловой микроскоп и ряд других методов.Методы, относящиеся к семейству сканирующих зондовых микроскопов, на настоящий моментявляются мощнейшими инструментами изучения морфологии и локальных свойств поверхноститвердых тел. Их неоспоримыми преимуществами является возможность достижения субатомного иатомного разрешения, работа в различных средах – от вакуума и газов, до растворов – иконтролируемое бережное воздействие на образец.
Благодаря этому практически ни односовременное исследование, связанное с поверхностью, не обходится без данных, полученных сиспользованием СЗМ, в не зависимости от области знаний: будь-то физикохимия, конструированиеновых материалов или биологические исследования. Возможности, предоставляемые СЗМ,обеспечили быстрое развитие инженерной базы методов, что позволило за какие-то десять лет отмомента создания первого микроскопа перейти от уникальных так называемых «home built»установок к массовым коммерчески приборам, доступным даже для школьников.
Наличие зонда,позиционирующегося с высокой точностью, открывает уникальные возможности, связанные снанопозиционирование атомов и локальным изменением свойств поверхностных слоев. Так зондовыеметоды стали основой появления нового класса методов создания наноструктур в нанотехнологиях.Не без основания рождение нанотехнологий историки иногда связывают с появлениемсканирующей зондовой микроскопии.
Методы СЗМ способны решить одновременно три основныепроблемы нанотехнологии:- контролируемое манипулирование нанообъектами (атомами, молекулами, кластерами);5Рассел Д. Янг – Получил степень бакалавра по физике в Ренсселаерском Политехническом Институте в 1953году и PhD по физике в Пенсильванском Государственном Университете в 1959 году. Начал свою работу вНациональном бюро стандартов США в 1961 году и проработал в бюро, занимая как научную, так иадминистративные должности вплоть до 1981 года, когда вышел на пенсию.
Сейчас занимаетсяизобретательством и частным консультированием промышленности и правительственных структур (например,NIST). И еще в 1966 году высказал идею о возможности получения рельефа поверхности путем использованиятока между поверхностью и металлическим острием. В 1971 году он опубликовал статью об устройстве,названном Topographiner, которое содержало все основные узлы Сканирующего Туннельного Микроскопа. Янгполучил всеобщее признание и стал лауреатом большого количества премий, как-то: Серебряная медальДепартамента США по коммерции (1979 г.), Награда за достижения в области науки Вашингтонской АкадемииНаук (1987 г.), премия Ленгмюра Американского Вакуумного Общества (1992 г.)358© www.phys.nsu.ru- контроль результата манипуляции (визуализация нанострукрур);- изучение свойств нанообъектов (электронных, механических и т.д.).Так, самым эффектным результатом СЗМ нанотехнлогии до сих пор является надпись IBM,выложенная атомами ксенона на поверхности монокристалла никеля (Рисунок 1 Приложения) 5, 6.Высота такой надписи всего 5 нм.
Однако с научной точки зрения более интересной являетсяупорядоченная круговая структура, получившая название «коралл» или «квантовый загон».Структура собрана на Cu(111) из 48 индивидуальных атомов Fe с использованием иглынизкотемпературного СТМ и имеет радиус 71.3 А (Рисунок 2 Приложения) 7. Визуализация сиспользованием туннельного микроскопа подобной упорядоченной системы как нельзя лучшедемонстрирует, что СТМ - изображение есть свертка топографических и электронных свойствповерхности.Рисунок 1 Приложения.
Атомное манипулирование методом СТМ: надпись ксеноном на никеле 5, 6В целом, перетаскивание отдельных атомов или атомное манипулирование – метод,позволяющий непосредственно «строить» наноструктуры, пожалуй, самый эффектный из всехсуществующих способов в нанотехнологиях. Однако реализация подобного манипулирования напрактике является достаточно сложной инженерной задачей.
Очевидно, что как нужная стабильностьпозиционирования зонда, так и стабильность самой системы «адатом - подложка» может бытьобеспечена только в вакууме при сверхнизких температурах, например, при температуре жидкогогелия. Поясним технологию атомного манипулирования с использованием СТМ на примере атомовксенона на поверхности монокристалла Ni(110) при 4К. При условиях сканирования 10 мВ(туннельное напряжение) и 1 нА (туннельный ток) игла достаточно далеко находится от поверхности.В этом режиме можно визуализировать отдельные атомы Xe, адсорбированные на поверхностиникеля. Увеличив заданное значение туннельного тока до 16 нА в положении, когда игла находитсянад атомом инертного газа, мы можем значительно приблизить иглу к поверхности.
В результатевзаимодействия иглы с адатомом, последний оказывается как бы «зажатым» под иглой, и любоеперемещение иглы приведет к перемещению ксенона. По понятным причинам сами такие системы,построенные из отдельных атомов, связанных с поверхностью слабыми ван-дер-ваальсовыми силами,могут существовать только при низких температурах.Выдающиеся результаты по изучению уникальных свойств нанообъектов получены методомСТС на специальных модельных системах 8. На Рисунке 3 Приложения приведено СТМ изображение поверхности системы, моделирующей катализатор, Pd/MgO(100)/Mo(100) и кривыеВАХ, полученные в соответствующих областях на поверхности, отмеченных цифрами [8].
Измерениявеличины запрещенной зоны (Eg) в различных участках поверхности дали следующие результаты: 1.Eg = 5.5 эВ (MgO); 2. Eg = 1.2 эВ (диаметр частицы d = 1.3 нм); 3. Eg = 0.6 эВ (d = 2.2 нм); 4. Eg = 0 эВ(d = 3.8 нм). Полученные данные являются наглядной иллюстрацией того, как изменяютсяэлектронные свойства вещества при переходе от сверхмалых кластеров к относительно крупнымобъектам, свойства которых совпадают с массивным материалом.
В то время как альтернативные359© www.phys.nsu.ruТуннельный ток, нАметоды определения ширины запрещенной зоны дали бы интегральную информацию, высокаялокальность метода СТС позволила исследовать свойства индивидуальных частиц и соотнести ихразмерами объектов.Рисунок 3 Приложения. СТМ - изображение поверхности модели Pd/MgO(100)/Mo(100) изаписанные в различных положениях скана вольтамперные характеристики 8Таким образом, в настоящее время зондовая микроскопия является весьма полезной и потомубурно развивающейся областью фундаментальных и прикладных научных исследований.Библиографический список1 Миронов В.Л.
Основы сканирующей зондовой микроскопии. -М:Техносфера, 2004. -144с.2 Guntherodt H.-J., Wiesendanger R. (Eds.) Scanning Tunneling Microscopy I. - Berlin Heidelberg:Springer Series in Surface Sciences. Springer – Verlag, 1992. - 246 p.3 Шайхутдинов Ш.К., Кочубей Д.И. Исследования гетерогенных каталитических систем и ихмоделей методом сканирующей туннельной микроскопии // Успехи химии.
- 1993. - Т. 62, № 5. - С.443 – 453.4 Kuk Y., Sulverman P.J. Scanning tunneling microscope instrumentation // Rev. Sci. Instrum. – 1989. - V.60, No. 2. - P. 165 – 180.5 Guntherodt H.-J., Wiesendanger R. (Eds.) Scanning Tunneling Microscopy II. - Berlin Heidelberg:Springer Series in Surface Sciences.
Springer – Verlag, 1992. - 308 p.6 Eigler D.M., Schweizer E.K.. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope // Nature. 1990. - V. 344. - P. 524-526.7 Crommie M.F., Lutz C.P., Eigler D.M. Confinement of electrons to quantum corrals on a metal surface //Science. – 1993.
– V. 262. P. 218-220.8 Rainer D.R., Goodman D.W. Metal clusters on ultrathin oxide films: model catalysts for surface sciencestudies // J. of Mol. Cat. A: Chemical. 1998. V. 131. P. 259 – 283.360.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
