|
МІКРОСКОПІЯ: ВІД ОПТИЧНОЇ ДО МІКРОХВИЛЬОВОЇ ЗОНДОВОЇ
Олійник Віктор Валентинович, завідувач лабораторією, к.ф.-м.н. Київський національний університет імені Тараса Шевченка
1. ВСТУП
Коли на порозі XVII сторіччя було створено перший мікроскоп, навряд чи хтось (і навіть його винахідник) міг уявити майбутні успіхи та численні галузі застосування мікроскопії. Озираючись назад, ми переконуємося, що цей винахід знаменував собою щось більше, ніж створення нового пристрою: вперше людина одержала можливість побачити раніше невидиме. Мікроскоп був не тільки новим приладом, але й новим прогресивним методом дослідження.
Дійсно, натурфілософи стародавності спостерігали природу, дізнаючись про неї тільки з того, що бачило око, відчувала шкіра, чуло вухо. Можна лише дивуватися тому, як багато правильних висновків про навколишній світ зробили вони, користуючись „неозброєними” органами чуттів і не ставлячи спеціальних експериментів, як це робиться зараз. Разом з тим, поряд з точними фактами і геніальними здогадками було багато помилкових „спостережень”, тверджень і висновків, які залишили нам вчені стародавності і середніх віків!
Лише значно пізніше було знайдено метод вивчення природи, що полягає у постановці свідомо спланованих експериментів, метою яких є перевірка припущень і чітко сформульованих гіпотез. Особливості цього методу дослідження Френсіс Бекон – один з його творців – сформулював у наступних словах, що стали знаменитими: „Ставити експеримент-це учиняти допит природі”.
Найперші кроки експериментальному методу за сучасними уявленнями були скромні, і в більшості випадків експериментатори того часу обходилися без будь-яких пристроїв, „посилюючих” органи чуттів. Винахід мікроскопа ознаменував колосальне розширення можливостей спостереження й експерименту.
Уже перші спостереження, проведені за допомогою найпростішої і недосконалої за сучасними уявленнями техніки, відкрили „цілий світ у краплі води”. Виявилося, що знайомі предмети виглядають зовсім по-іншому, якщо їх розглядати в мікроскоп: гладенькі на вигляд і дотик поверхні виявляються в дійсності шорсткуватими, у „чистій” воді рухаються міріади дрібних організмів. Надалі ці найпростіші спостереження дадуть життя самостійній галузі науки: мікроскопії. Минуть роки, і ця галузь розшириться в численні розгалуження, що проявлятимуться в найрізноманітніших застосуваннях: біології, медицині, техніці, хімії, фізиці, навігації.
Сучасні мікроскопи є досконалими приладами, які дозволяють одержувати значні збільшення з високої роздільної просторовою здатністю. Роздільна просторова здатність – це та найменша відстань між двома точками об’єкта, при якій їхні зображення ще видимі роздільно.
2. ОПТИЧНА МІКРОСКОПІЯ
Світ малих розмірів завжди притягував учених, які намагаються зрозуміти фундаментальні основи будови речовини. Історично першою виникла оптична мікроскопія, яка вже розвивається протягом останніх трьохсот років. І хоча оптичний мікроскоп і не дуже складний за конструкцією та в роботі, а отримані зображення різноманітних матеріалів дозволяють легко проводити аналіз стану їхньої поверхні, він має суттєвий недолік: роздільна здатність обмежена дифракцією світла, коли зображення точки ми бачимо як кружок, світлу пляму, оточену кільцями. Неможливість отримати роздільну здатність менше, ніж півдовжини хвилі світла, було сформульовано ще сером Релеєм
(1)
Ця нерівність показує, що два об’єкти можливо розділити просторово тільки тоді, коли відстань r між ними буде більше чи рівна півдовжини світової хвилі . У більшості реальних випадків другий множник формули близький до одиниці.
Оскільки довжина оптичної хвилі близько 0.5 мікрометра, то гранична роздільна здатність оптичних мікроскопів r становить біля 0.25 мікрометра. Таким чином, класична оптична мікроскопія досягла своєї граничної роздільної здатності, що, звичайно, не влаштовувало більшість дослідників.
3.БЛИЖНЕ-ПОЛЬОВА ЗОНДОВА МІКРОСКОПІЯ
Необхідність подолати обмеження оптичного мікроскопа, привело до виникнення зондової мікроскопії, де у якості головного елемента виступає тонка голка, зонд, яка переміщається над поверхнею об’єкта. При цьому відстань між зондом і поверхнею об’єкта повинна бути значно меншою за довжину хвилі. Тоді реалізується так звана ближньо-польова взаємодія між зондом і об’єктом дослідження. Роздільна здатність такого мікроскопа залежить (при виконанні деяких умов) тільки від діаметра кінчика зонда і не залежить від довжини хвилі.
Історично оптимальна конструкція зондового мікроскопа відпрацьовувалась довгий час. Мабуть першим, хто вказав шлях до вирішення цієї задачі, був Сінг (Synge) у 1928 році. Його відносно проста ідея полягала у тому, щоб у непрозорому екрані було зроблено невеликий отвір (діаметр отвору 40 нанометрів), через яке оптичне випромінювання освітлювало ділянку зразка, яка приблизно дорівнювала розміру отвору. Схема такого мікроскопа наведена на мал.1.
Інтенсивність випромінювання, яке пройшло через зразок, фіксувалося фотодетектором і подавалося у блок запису зображення. Якщо цей непрозорий екран разом з отвором переміщати вздовж зразка як по осі Х, так и по осі Y, тим самим здійснюючи сканування з кроком, який дорівнює діаметру отвору, можна отримати зображення поверхні зразка з граничною роздільною здатністю близько 40 нанометрів. Таким чином, Сінг досяг r /10 (порівняйте з граничною роздільною здатністю класичних оптичних мікроскопів /2).
Визначальним проривом у розвитку мікроскопів було застосування замість отвору у непрозорому екрані тонкого оптичного хвилеводу, покритого з усіх боків металізацією, непрозорою для оптичної хвилі. А загострений кінець хвилеводу був вільний від металізації і міг випромінювати оптичну хвилю. Роздільна здатність у такій конструкції мікроскопа залежала тільки від діаметра зонда.
Взагалі, всесвітня історія скануючих зондових мікроскопів (СЗМ) почалася з роботи в 1982 році співробітників Цюріхського відділення фірми IBM Г.Бінніга и Х.Рорера [G.Binning, H.Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel, Physica. Ser. B, 1982, v.109-110, p.2075] зі створення скануючого тунельного мікроскопу. До речі, у 1986 році за цю робота авторам було присуджено Нобелівську премію. У той час ідея тунельної мікроскопії просто „висіла у повітрі”.
Принцип роботи такого мікроскопа настільки простий, що його міг сформулювати будь-який кваліфікований фізик, набравшись хоробрості об’єднати в одне ціле два роздільно існуючих поняття - "тунельний" і "мікроскоп".
Як у подальшому і підтвердилося, фактично будь-які типи взаємодії тонкого вістря зонда з поверхнею (електричні, магнітні, механічні та інші) можуть бути перетворені відповідними реєструючими приладами і комп’ютерними програмами в прецизійне зображення поверхні.
На сьогодні існує цілий спектр СЗМів - тунельний (СТМ), атомно-силовий (АСМ), магнітний (МСМ), оптичний мікроскоп ближнього поля та інші.
Бінніг і Рорер писали в 1986 році: “Сканирующая туннельная микроскопия вышла из "возраста подмастерья", опирается на надежную базу и теперь начинает годы странствий. Не хотелось бы строить догадки, куда в конце концов приведет ее путь, но мы искренне верим, что красота атомных структур послужит стимулом для применению данного метода к решению тех задач, в которых он сможет принести наибольшую пользу человечеству".
Незважаючи на деякий початковий скептицизм світової спільноти стосовно найширших можливостей цього скромного інструмента дослідника і, як тепер стало очевидним, нанотехнолога, простота виготовлення та унікальні можливості СЗМ у роботі на нанометровій шкалі допомогли йому стати необхідним для багатьох фізичних, хімічних і біологічних лабораторій світу.
Переможна хода СЗМів почалася з вражаючих уяву експериментів по захопленню зондом СТМ окремих атомів і переносу їх в інше місце на поверхні зразка. Мабуть, впевнену ходу нового методу легше всього простежити за наведеною нижче хронологією подій. Отже:
-
1979р. - Г.Бінніг і Г.Рорер починають роботи по створенню приладу для спектроскопічних досліджень ділянок поверхні, розміри яких менше 10 нанометрів;
-
16 березня 1981р. - запрацював перший скануючий тунельний мікроскоп (Бінніг и Рорер);
-
1982р. - поява скануючого оптичного мікроскопа ближнього поля (D.W.Pohl); 1984р. - створення скануючого ємнісного мікроскопа (J.R.Matey, J.Blanc);
-
1982-1985р.р. – досягнення атомарної роздільної здатності з використанням СЗМ одночасно в багатьох групах (більше 10);
-
1985р. – створення перших тунельних мікроскопів в Радянському Союзі (групи В.И.Панова и М.С.Хайкіна);
-
1986р. - винахід атомно-силового мікроскопа;
-
1987р. - створення магнітно-силового мікроскопа (Y.Martin, H.K.Wickramasinghe); - виготовлення скануючого фрикційного мікроскопа (C.M. Mate, G.M. McClelland, S. Chiang); - створення першого комерційного скануючого тунельного мікроскопа Nanoscope-1 (фірма Digital Instruments, Santa Barbara, USA);
-
1987р. – наступні роки - створення більш ніж 20-ти різних модифікацій зондових мікроскопів;
-
1990р. - створення першого серійного атомно-силового мікроскопа "Скан-8" (МДУ, Центр перспективних технологій); - використання одиночних атомів для запису інформації (Eigler);
-
1994р. – використання атомно-силових мікроскопів на виробництві (вихідний контроль кремнієвих пластин, магнітних носіїв інформації тощо).
У цей час комерційне виготовлення скануючих зондових мікроскопів і аксесуарів до них здійснює більше 20 фірм в США, Англії, Японії, Германії, Данії та Ізраїлі. Серед усього сімейства СЗМ особливо можна виділити скануючий тунельний і атомно-силовий мікроскопи, за допомогою яких спостерігаються окремі атоми і молекули, здійснюються спрямовані маніпуляції з ними. А по суті, зондові мікроскопи є єдиними багатофункціональними приладами для дослідження як топографії поверхні, так і сукупності механічних, електронних, магнітних і оптичних властивостей поверхні із субнанометровою просторовою роздільною здатністю.
Сьогодні скануюча зондова мікроскопія як метод дослідження і впливу на поверхню бурхливо розвивається. Її широкі можливості продемонстровані більш ніж у 8000 наукових статей. За порівняно короткий термін – минуло двадцять років з моменту винаходу – СЗМ впроваджений у практику наукових досліджень, використовується на виробництві для вихідного контролю готових виробів мікроелектроніки, у прикладних дослідженнях з хімії та біології тощо.
4.БЛИЖНЕ-ПОЛЬОВА ЗОНДОВА МІКРОСКОПІЯ
Але наведені вище конструкції мікроскопів досліджують тільки поверхню різних об’єктів, не даючи при цьому уявлення про внутрішню будову речовини, її однорідність, про локалізацію та характер внутрішніх неоднорідностей. Тому вчені звернулися до діапазону електромагнітних хвиль, які хоч і мають довжину хвилі у тисячу разів більше, ніж у оптичних, але вони здатні проходити у товщу таких матеріалів, як діелектрики, напівпровідники тощо. Ці хвилі належать до надвисокочастотного діапазону – НВЧ, який отримав назву мікрохвильового.
Для подолання в мікрохвильовій мікроскопії тих проблем, що стояли перед оптичною мікроскопією, англійський вчений з Лондонського університету Ерік Еш ( Ash Е.) у 1976 році запропонував у мікрохвильовому резонаторі зробити невелику апертуру радіуса r0, так щоб r0/ << 1. Таким чином з'являється можливість отримати інформацію щодо малої ділянки об'єкта дослідження, який розташований максимально близько до отвору.
Отже, реалізується ближньо-польова взаємодія між зразком і мікрохвильовим полем резонатора. При цьому електромагнітне поле, що пройшло крізь отвір в об’єм зразка, за рахунок взаємодії з речовиною зразка буде змінювати свої параметри, що, у свою чергу, приведе до зміни параметрів резонатора. За зміною цих параметрів вчені змогли визначити такі характеристики речовини, як діелектрична проникність, густина, локальна неоднорідність об’єму зразка.
Якщо надалі зразок протягати під отвором, тобто здійснювати сканування, можливе одержання зображення внутрішніх локальних параметрів діелектрика. У роботі Еш одержав просторову роздільну здатність для мікрохвильового мікроскопа з довжиною хвилі = 8 мм, порядку /60. При цьому отвір мав розмір 2r0=1.5 мм.
У середині 90-х років одночасно в Принстонському та Мерилендському університетах США була розроблена теорія та відпрацьована конструкція ближньо-польового скануючого мікрохвильового мікроскопа дещо іншої конструкції. У першому випадку застосовувався резонатор, з якого виводився металевий тонкий зонд. Мікрохвильове поле у резонаторі було сконцентроване вздовж металевого зонда і через кінчик цього зонда взаємодіяло зі зразком. Далі, як ми вже знаємо, ця ближньо-польова взаємодія приводила до зміни як резонансної частоти, так і добротності резонатора. Роздільна здатність такого мікроскопа залежить від діаметра кінчика зонда.
У другому випадку, застосовували довгу коаксіальну лінію передачі де зондом був кінчик центрального провідника коаксіалу (див. Мал.2). Випромінювання від джерела потрапляло на циркулятор, який подавав його до коаксіального кабелю. Центральний провідник трохи виступав за межі кабелю, тим самим утворюючи тонкий металевий зонд. За допомогою спеціального столика де розміщався зразок, можливе сканування по осі X та Y.
Перебуваючи безпосередньо біля поверхні зразку, зонд забезпечував ближньо-польову взаємодію мікрохвильового поля з поверхнею.
Як було сказано вище, головний параметр мікроскопа - просторову роздільну здатність - визначає діаметр зонда, у нашому випадку це діаметр кінчика центрального провідника. Останнім часом дослідники використовують металевий зонд з тунельного мікроскопа, діаметр якого складає декілька десятків нанометрів, який спеціальним пристроєм для мікро зварювання приварюється до центрального провідника коаксіального кабелю мікрохвильового мікроскопа. При цьому роздільна здатність таких мікроскопів складає фантастичну цифру r /1000000.
5.ЗАКІНЧЕННЯ
Фахівці радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка також проводять дослідження параметрів різних речовин за допомогою скануючих зондових мікроскопів. І якщо тунельний мікроскоп уже тривалий час плідно працює і дає потрібну інформацію, то мікрохвильовий мікроскоп знаходиться ще в стані розробки.
На даний період спеціалісти вивчають різні схеми побудови мікроскопа, поведінку роздільної здатності мікроскопа від глибини проникнення мікрохвильового поля в об’єм зразка, залежність роздільної здатності мікроскопа від діелектричної проникності матеріалу зразка тощо.
Розробка та освоєння такого мікроскопа дасть змогу краще зрозуміти механізм ближньо-польової взаємодії, вивчити фундаментальні основи матерії, ще глибше осягнути основні закони взаємодії електромагнітного поля з структурою речовини. З практичного боку це допоможе знайти принципово нові матеріали для мікроелектроніки, нові матеріали для запису та збереження гігантських масивів інформації, значно збільшить швидкість обробки таких масивів.
Але, що ж можна довідатися нового, проникнувши в царину над малих розмірів, які відкриваються за допомогою зондової скануючої мікроскопії? Чи не являє собою цей світ атомів і молекул щось таке, де відсутні не тільки фарби і звуки, але і взагалі будь-які ознаки розмаїтості життя і краси?
Виявляється, непотрібна багата уява, щоб побачити своєрідну красу світу надмалих об’єктів і захопитися ними.
На рівні розмірів роздільної здатності сучасної мікроскопії розгортаються події, що в остаточному підсумку грають винятково важливу роль у житті людини, природі і техніці.
Насамперед, візьмімо біологію. Живі клітини є складними структурними утвореннями; у них протікають найскладніші, вивчені лише частково, біохімічні процеси. Хід цих процесів визначає життєдіяльність клітин, їхній взаємозв’язок і в остаточному підсумку життєдіяльність організмів.
У цьому світі нам відкриваються раніше невідомі місцеві „жителі”, їхні дії і звички, взаємини між собою, їхня дружба і маленькі трагедії, які приводять до подій, що відіграють найважливішу роль у масштабах природи і людства.
Тут, на молекулярному рівні, зберігається найбільша таємниця: таємниця життя, її вічного відтворення й удосконалення. Тут же заховані такі фактори, як причини хвороб і смерті, які або повністю відбирають життя, або роблять його тяжким; віруси багатьох хвороб: „легких”, таких, як грип, і страшних – таких, як СНІД. До цього світу належать складні молекулярні структури, молекули ДНК, РНК, що зберігають вічний код життя, відтворюють і здійснюють його.
Багато характеристик матеріалів, що є основою сучасної техніки і використовуються в повсякденному житті людини і суспільства в цілому, визначаються властивостями мікроструктури речовини, що належать до світу надмалих розмірів.
Таким чином, світ, що відкривається нам завдяки методам скануючої зондової мікроскопії, не тільки різноманітний і по-своєму барвистий, але і відіграє надзвичайно важливу роль у розвитку природи і людства.
|