Мікроскопія вчора, сьогодні, завтра

В.А.Ісаакян, м.Москва

Погляд у майбутнє

Якою буде рентгенівська мікроскопія в майбутньому? Швидше за все, основним напрямком в цій галузі стане підвищення роздільної здатності. Ряд ведуться в даний час експериментів дає підстави вважати, що за допомогою спеціальних прийомів його можна буде довести до 10-20

Звернемося до подій 40-річної давності. У 1956 р співробітник картографічної служби військового відомства США Дж.О'Кіфі запропонував конструкцію мікроскопа, в якому світло повинен був виходити з крихітного відвести в непрозорому екрані і висвітлювати об'єкт, розташований дуже близько від екрану. Світло, що пройшло через зразок або відбитий від нього назад в отвір, повинен був реєструватися в процесі зворотно-поступального руху (сканування) зразка. О'Кіфа назвав свій метод растрової мікроскопією ближнього поля і вказав, що дозвіл такого мікроскопа обмежується не довжина хвилі світла, а тільки розміром отвору. Теоретично такий пристрій могло б давати зображення деталей розміром менше, ніж половина довжини хвилі. Однак в той час були відсутні прецизійні пристрої позиціонування і переміщення і ідея не могла бути реалізованою повністю.

У 1972 р Р.Янг з Національного бюро стандартів США зумів здійснити переміщення (і позиціонування) об'єктів в трьох напрямках з точністю до 1 нм, використавши переміщують пристрої на базі пьезоелектріков (про них ми вже говорили в розділі, де описувався ультразвукової мікроскоп). П'єзоелектричні вузли знаходяться відкрили шлях до створення одного з сучасних варіантів мікроскопа ближнього поля - растрового, або скануючого, тунельного мікроскопа, винахідники якого, Г. Бінніг і Г. Рорер, з компанії IBM (США) були удостоєні Нобелівської премії в 1986 р

У сканирующем тунельному мікроскопі роль отвори грає найтонше металеве (як правило, вольфрамовое) вістря, або зонд, кінчик якого може являти собою один-єдиний атом і мати розмір в поперечнику близько 0,2 нм. П'єзоелектричні пристрої підводять зонд на відстань 1-2 нм від поверхні досліджуваного електропровідного об'єкта - настільки близько, що електронні хмари на кінчику зонда і найближчого до нього атома об'єкта перекриваються. Якщо тепер між об'єктом і зондом створити невелику різницю потенціалів, електрони будуть «перескакувати» через зазор (або, як кажуть фізики, туннелировать), і з'явиться слабкий тунельний струм. Величина цього струму надзвичайно чутлива до ширини зазору: зазвичай вона зменшується в 10 разів при збільшенні зазору на 0,1 нм.

П'єзоелектричні двокоординатні маніпулятори переміщують зонд уздовж поверхні зразка, формуючи растр на зразок того, як це робиться в електронному мікроскопі. При цьому паралельні рядки растра відстоять один від одного на частки нанометра. Якби кінчик зонда не повторював профіль поверхні, то тунельний струм змінювався б в дуже широких межах, збільшуючись в ті моменти, коли зонд проходить над опуклостями (наприклад, над атомами на поверхні), і зменшуючись до мізерно малих значень при проходженні зазорів між атомами. Однак зонд змушують рухатися верх і вниз відповідно до рельєфом поверхні. Здійснюється це за допомогою механізму зворотного зв'язку, який уловлює починається зміна тунельного струму і змінює напругу, що прикладається до третього маніпулятору, який рухає зонд в напрямку, перпендикулярному поверхні, таким чином, щоб величина тунельного струму не змінювалася, тобто щоб зазор між зондом і об'єктом залишався постійним.

За зміною напруги на третьому зонді комп'ютер будує тривимірне зображення поверхні. При цьому роздільна здатність мікроскопа досягає атомного рівня, тобто можуть бути видні окремі атоми, розміри яких становлять 0,2 нм. Блок-схема скануючого тунельного мікроскопа показана на рис. 14.

Розповідаючи про можливості скануючого тунельного мікроскопа, не можна не відзначити, що вони виходять далеко за рамки чисто мікроскопічних завдань. Наприклад, з його допомогою можна, точно прицілившись зондом і приклавши потрібне напруження, як би «розсікти» молекулу на частини, відірвавши від неї кілька атомів, і досліджувати її електронні властивості. Американські дослідники експериментально показали, що, прикладаючи до зонду певна напруга, можна змусити атоми притягатися до вістря або рухатися уздовж поверхні. Надзвичайно цікаві досліди провели експериментатори фірми IBM, написавши за допомогою атомів інертного газу ксенону на поверхні нікелю назву своєї фірми.

Маніпуляції з окремими атомами означають, що можна сконструювати штучні структури нанометрових розмірів, використовуючи окремі атоми як цеглинки. Перше додаток, мабуть, буде стосуватися зберігання інформації, адже комп'ютерна пам'ять заснована на тому, що біт (одиниця інформації) задається певним станом елемента середовища (магнітної, електричної, оптичної), в якій записується інформація. Спрощено кажучи, елемент пам'яті показує, включено щось або вимкнено, присутній що-небудь або відсутній і т.д. Виходячи з цього, можна реалізувати таку ситуацію лежить на поверхні, коли 1 біт буде записаний у вигляді скупчення, наприклад, 1000 атомів. Якщо така пам'ять буде створена, все зміст бібліотеки Конгресу США (а це величезне книгосховище) вміститься на одному диску діаметром 25 см. Для порівняння скажемо, що лазерних компакт-дисків для цього треба було б 250 000 штук.

Cканірующій тунельний мікроскоп з'явився прототипом (базовою моделлю) цілого сімейства ще досконаліших скануючих мікроскопів ближнього поля з зондами-вістрями. Необхідність подальших розробок диктувалася необхідністю позбутися основного недоліку базового мікроскопа - електропровідності об'єктів, але ж навіть провідники і напівпровідники часто покриті ізолюючим шаром оксиду. Чи не проводять струм і біологічні матеріали.

У 1985 р в США був створений атомно-силовий мікроскоп (рис. 15). Тут зразок вже не обов'язково повинен бути провідним. Як і в скануючому тунельному мікроскопі, над об'єктом переміщається крихітне вістрі - загострений до атомних розмірів (і навіть до розміру одного атома!) Осколок алмазу, закріплений на смужці з металевої фольги.

Електронне хмара вістря алмазу тисне на електронні хмари окремих атомів зразка, породжуючи відразливу силу, змінюється відповідно до рельєфом поверхні. Ця сила відхиляє кінчик вістря, переміщення якого реєструються неелектричних (шляхом вимірювання тунельного струму), а оптично - за допомогою променя лазера, який відбивається від верхньої частини держателя на фотодіодних чутливе пристрій. Механізм зворотного зв'язку реагує на зміни оптичного ходу променя і впливає на п'єзоелектричний перетворювач, який регулює висоту, на якій знаходиться зразок, так що відхилення власника залишається постійним. Відповідно до переміщеннями зразка будується контур поверхні. (Вістря, як голка фонографа, як би зчитує рельєф.) Фольга діє як пружина, притискаючи кінчик вістря до досліджуваної поверхні.

Хоча в принципі перші атомно-силові мікроскопи могли давати зображення поверхні будь-якого непровідного або проводить зразка, тиск вістря (масою близько мільйонної частки грама) було досить сильним і спотворювало форму багатьох біологічних молекул або зміщало їх. Тиск вістря збільшується через наявність тонких плівок води і забруднень, неминуче збираються як на кінчику вістря, так і на самому зразку. При зближенні вістря і поверхні ці забруднення входять в зіткнення, і сили адгезії обумовлюють взаємне притягання вістря і об'єкта, збільшуючи, таким чином, що відстежує тиск вістря. Нещодавно цей тиск вдалося знизити в 10 разів, опускаючи вістря і зразок в краплю води. Відзначимо також, що оптична реєстрація руху вістря забезпечує більш надійне вимірювання зазору, ніж зворотний зв'язок по тунельному току, і більш м'яке і в той же час щільне дотик вістря. В результаті цих удосконалень дослідникам вдалося навіть зареєструвати молекулярний процес в його розвитку - полімеризацію білка фібрину, основного компонента згорнулася крові.

Однак навіть вдосконалені конструкції атомно-силових мікроскопів надають все ж досить великий тиск на об'єкт, що може привести до забруднення або пошкодження останнього. Тому було розроблено нове сімейство скануючих мікроскопів з зондами-вістрями, серед яких основним слід вважати лазерний силовий мікроскоп (рис. 16). «Сила», яку відчуває цей мікроскоп, - це мала сила тяжіння між досліджуваної поверхнею і зондом (кремнієвим або вольфрамовим), що знаходяться від неї на відстані від 2 до 20 нм. Вона складається з сили поверхневого натягу води, що конденсується в зазорі між вістрям і зразком, і слабкими силами Ван-дер-Ваальса. Притягає сила дуже мала - в 1000 разів менше, ніж міжатомна відштовхування в атомно-силових мікроскопах. При переміщенні вістрі вібрує з частотою, близькою до резонансної. Лазерно-силовий мікроскоп реєструє силу міжатомної взаємодії по її впливу на динаміку вібруючого зонда.

Зміна амплітуди вимірюється за допомогою сенсорного пристрою на базі лазера. Для цього використовується інший, вже знайомий нам принцип мікроскопії, - интерферометрия. Лазерний промінь розщеплюється на два: промінь порівняння, який відбивається від стаціонарного дзеркала або призми, і що зондує промінь, який відбивається від зворотного боку вістря. Два променя складаються і інтерферують, породжуючи сигнал, фаза якого чутлива до зміни довжини шляху, пройденого зондирующим променем. Таким чином, інтерферометр вимірює амплітуду вібрації кінчика вістря амплітудою до 10-5 нм. Розглянутий принцип дозволяє лазерно-силовому мікроскопу реєструвати малі нерівності рельєфу величиною до 5 нм (близько 25 атомних шарів).

Відзначимо коротко ще деякі види лазерно-силових мікроскопів. У магнітно-силовому мікроскопі замість вольфрамового або кремнієвого вістря використовується намагнічений нікелевий або залізний зонд. Коли вібруючий зонд підноситься до досліджуваного зразка-Магнетика, що впливає на кінчик вістря сила змінює його резонансну частоту і, отже, амплітуду коливань. Цей мікроскоп дозволяє досліджувати магнітне поле з дозволом краще 25 нм. З його допомогою можна вивчати структуру магнітних бітів інформації на дисках і інших магнітних носіях шляхом безпосереднього контролю якості голівки, що зчитує і пам'ятною середовища.

В електростатичному силовому мікроскопі вібруючий зонд несе електричний заряд, а амплітуда його вібрацій залежить від електростатичних сил, що виникають в результаті взаємодії з зарядами на поверхні зразка. За допомогою такого мікроскопа можна виявляти картину розподілу електрофізичних властивостей різних матеріалів, наприклад, концентрації легуючої домішки в кремнії. (Нагадаємо, що легування напівпровідників застосовується для зміни співвідношення між концентраціями рухомих негативних і позитивних носіїв заряду - електронів і дірок відповідно.) Для цього до зазору між зондом електростатичного силового мікроскопа і досліджуваної поверхнею прикладається напруга, яке зміщує електрони чи дірки під зондом, залишаючи там заряджену область, електростатично взаємодіє з вістрям. Послідовні переміщення вістря зонда дозволяють точно і з високою роздільною здатністю виміряти величину заряду, а отже, і кількість зміщених електронів чи дірок, відповідне концентрації легуючих атомів.

Зонд растрового термічного мікроскопа є, мабуть, самим крихітним в світі термометром: він дозволяє вимірювати поверхневі зміни температури в десятитисячний частку градуса на довжині кілька десятків нанометрів.Зонд являє собою вольфрамомую зволікання до 30 нм в поперечнику, покриту нікелем, який відділений від вольфраму шаром діелектрика скрізь, крім самого кінчика (рис. 17). Такий вольфрамо-нікелевий зонд працює як термопара, генеруючи напруга, пропорційне його температурі.

Коли нагріте кінчик зонда наближають до досліджуваного (твердотельному) зразком, що є кращим провідником тепла, ніж повітря, тепловтрати кінчика вістря зростають. Останній охолоджується, термо-термопари зменшується пропорційно зміні ширини зазору. Навпаки, коли зонд віддаляється від зразка, термо збільшується. Таким чином, втрати тепла виявляють топографію досліджуваної поверхні точно так же, як тунельний струм або сили міжатомної відштовхування виконують цю роль в мікроскопах ближнього поля. Растровий термічний мікроскоп застосовують для картографування температури в живих клітинах або для вимірювання дуже малих, практично непомітних швидкостей закінчення потоків рідини або газу.

Не претендуючи на витіснення оптичної мікроскопії, техніка скануючих зондів обіцяє розширити її можливості. Зараз розглядаються способи перенесення в мікроскопію ближнього поля таких чисто оптичних ефектів, як поляризаційний контраст, фазовий контраст, методи посилення контрасту і т.д. Існуючі скануючі мікроскопи з зондами-вістрями дозволяють з дозволом в кілька нанометрів «побачити» світ молекул або мікросхем, а в сукупності із засобами оптичної мікроскопії ця ж техніка, мабуть, розкриє перед нами цей світ в звичних для нас світлі, тінях і кольорі .

І на закінчення згадаємо ще про один, абсолютно новий метод - протонної мікроскопії, або протонної радіографії. Цей термін, правда, відповідає методу в такій же мірі, що і назва «мікроскопія» рентгеноструктурному аналізу. В основі лежить так званий ефект тіней. В одному з варіантів кристалічний зразок «висвітлюють» паралельним пучком протонів, висока енергія яких (сотні або навіть тисячі кеВ) дозволяє їм проникнути надзвичайно близько до ядер атомів, складових кристалічну решітку зразка. Розсіюючись на ядрах в різних напрямках, протони «продираються» скавозь кристал, частково виходять з нього і засвічують розташовану з «освітлюваної» боку зразка фотопластинку, де виходить специфічна сітка яскравих ліній з плямами різних розмірів. Ця картина нагадує картини дифракції електронів або рентгенівських променів на кристалах. Однак подібність це чисто зовнішнє, тому що принципово різні механізми їх отримання. У перших двох випадках відбувається хвильовий взаємодія, тоді як при протонографіі - корпускулярне взаємодія протонів і ядер. Ця відмінність дає певну перевагу: підвищуючи енергію протонів, ми збільшуємо глибину їх проникнення в зразок, не погіршуючи при цьому (що найбільш важливо) здатність «бачити» атоми.

Фізика взаємодії протонів з ядрами дуже складна, і ми зупинятися на ній не будемо. Відзначимо лише можливості протонографіі. За протонограмме можна визначити тип структури кристала, кристалографічну орієнтацію, кути між кристалографічними осями. Її вигляд надзвичайно чутливий до найменших спотворень (деформацій) кристалічної решітки. Протонограмма також реєструє точкові дефекти. Важливою перевагою протонографіі є можливість пошарового аналізу мікроструктури кристалічних зразків без їх руйнування: підвищуючи енергію протонів, можна проникати все глибше і глибше.

Пошарове дослідження можна проводити, і не змінюючи енергії. Для цього перед фотопластинкою поміщають металеву фольгу певної товщини. Протони, що вийшли з глибини зразка і втратили, таким чином, значну частину енергії, будуть поглинатися фольгою, тоді як протони, розсіяні поблизу поверхні, пройдуть крізь фольгу і потраплять на платівку. Послідовно змінюючи товщину фольги, можна отримати серію протонограмм з різної глибини зразка і встановити, наприклад, розподіл по глибині яких-небудь дефектів. При цьому, відзначимо ще раз, зразок не руйнується.

Чого ж можна чекати від мікроскопії завтрашнього дня? На вирішення яких завдань можна розраховувати? Перш за все - поширення на всі нові і нові об'єкти. Досягнення атомарного дозволу, безумовно, є найбільшим завоюванням наукової і технічної думки. Однак не будемо забувати, що це досягнення поширюється лише на обмежене коло об'єктів, поміщених до того ж у вельми специфічні, незвичайні і сильно впливають умови. Тому необхідно прагнути поширити атомарному дозвіл на широке коло об'єктів.

Згодом можна очікувати залучення «на роботу» в мікроскопах інші заряджені частинки. Ясно, однак, що цього повинні передувати пошуки і розробка потужних джерел таких частинок; крім того, створення мікроскопів нового типу буде визначатися появою конкретних наукових завдань, в рішення яких саме ці нові частинки внесуть вирішальний внесок.

Будуть удосконалюватися мікроскопічні дослідження процесів в динаміці, тобто що відбуваються безпосередньо в мікроскопі або в зчленованих з ним установках. До таких процесів відносяться випробування зразків в мікроскопі (нагрів, розтягнення і т.д.) безпосередньо під час аналізу їх мікроструктури. Тут успіх буде обумовлений, в першу чергу, розвитком техніки високошвидкісної фотографії та підвищенням тимчасового дозволу детекторів (екранів) мікроскопів, а також використанням потужних сучасних комп'ютерів.