ИНСТРУМЕНТЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Познание природы и развитие инструментов глубоко взаимосвязаны. Чем совершеннее инструменты, тем достовернее наши знания о природе. Так, например, до открытия телескопа человеку были недоступны сведения ни о форме, ни о структуре нашей Галактики. А до изобретения сканирующих микроскопов никто и не подозревал о существовании уникальных углеродных соединений - фуллеренов и нанотрубок.

Сл 2

С другом стороны, более совершенное мышление позволяет изобретать более точные инструменты и приборы, порой на порядки превосходящие возможности существующей технологии. Так. многие изобретения величайшего гения Леонардо да Винчи (типа цепного привода и шарикоподшипника) были теоретически вполне работоспособны, однако же, не использовались в XVI веке.

Проникнув в невидимый мир атомов и молекул, мы еще острее нуждаемся в развитии инструментов, способных не только обеспечить получение новой информации, но и привести к потрясающему прогрессу во многих областях.

Рассмотрим наиболее популярные инструменты нанотехнологии.

с./

Однако надо четко представлять, что количество данных инструментов несравненно бон.inc. В настоящее время очень бурно развиваются средства познания наномира: во многих лабораториях и исследовательских институтах разрабатываются новые инструменты и техники.

ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ

Сл 4

Одним из наиболее масштабных изобретений, которое позволило значительно расширить возможности человека в познании мира, стало создание в начале XVII века оптического микроскопа (Пл. 2). Его изобретение дало значительный толчок в развитие многих наук. Приведем только некоторые открытия, которые стали возможны только после изобретения микроскопа. Итак. А Левенгуком были описаны простейшие, эритроциты и др. (1677 г.). О.Ф. Мюллер рассмотрел и описал очертания и формы бактерий (1773 г.). М. Мальпиги обнаружил капилляры и описал микроскопическое строение легких, печени, печек, селезенки, в 1839 г. Т. Шванн формулирует клеточную теорию и т.д.

Микроскоп (от греч. “micros” - малый, и “scopeov - смотреть) — оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов, невидимых не вооруженным глазом

 

 

 

Сл5

Микроскоп состоит из двух систем линз - окуляра и объектива. Объектив, расположенный близко к образцу, создает первое увеличенное изображение объекта, которое еще раз увеличивается окуляром, который помещают ближе к глазу наблюдателя.

С XVIII столетия развитие микроскопии (оптической) шло главным образом по пути улучшения конструкции механических частей. Совершенствование шлифовки и подгонки линз привело к тому, что микроскопы начала XIX в. давали увеличение до 1000 раз. Хотя со времен Левенгука увеличение микроскопов возросло с 300 до 1500 единиц, на пути дальнейшего роста разрешающей способности стоит непреодолимый теоретический барьер - так называемый «предел Рэлея». В соответствии с принципом, сформулированным Джоном Рэлеем, предельное разрешение микроскопа не может быть больше половины длины волны освещающего объект света. Это объясняется явлением дифракции света.

 

Сл 6

Начались поиски увеличения разрешения микроскопов. Одним из напрашивающихся решением стало доведение до предела длины облучающего света, что привело к созданию ультрафиолетовой микроскопии (280-300 нм), позволяющей визуализировать объекты размером 150-170 нм.

ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

 

Сл 7

Для изучения нанообъектов разрешения оптических микроскопов явно недостаточно. В связи с этим в 1930-х гг. возникла идея использовать вместо света электроны, длина волны которых, в сотни раз меньше, чем у фотонов. Первый электронный микроскоп был построен немецким физиком Эрнстом Руска. за что в 1986 году ему была присуждена Нобелевская премия. (Пл. 8) Он знал, что электрон обладает волновой стороной (корпускулярно-волновой дуализм), и был уверен, что магнитное поле позволит манипулировать электронами, фокусирую их. как линза фокусирует свет. В 1932 г. им и Максом Кноллом был построен первый электронный микроскоп, который имел разрешение в 400 крат. Первый же практический электронный микроскоп был собран Э.Ф. Бартоном и студентами Университета Торонто в 1938 г. Современные электронные микроскопы имеют разрешение 2 млн. раз.(рис дать)

Сл 8

Рассмотрим более детально принцип работы электронных микроскопов. Как отмечалось, электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое - оптическими линзами. Поэтому в электронном микроскопе устройства фокусировки и рассеивания электронного пучка называют «электронными линзами»Чтобы, сконцентрировать магнитное поле, катушку закрывают магнитной «броней» из никель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор во внутренней части. Источником электронов служит металл (обычно вольфрам), из которого при нагревании в результате термоэлектронной эмиссии испускаются электроны. При прохождении электронов через образец одни из них рассеиваются из-за столкновений с ядрами атомов образца, другие - из- за столкновений с электронами атомов, а третьи проходят сквозь него. Также испускаются вторичные электроны, индуцируется рентгеновское излучение и, т.п. Все эти процессы регистрируются специальными детекторами и преобразованном виде выводятся на экран, создавая увеличенную картиг

изучаемого объекта

Главныйнедостаток электронной микроскопии - необходимость работы в

полном вакууме так как наличие какого-либо газа внутри камеры микроскопа может привести к ионизации его атомов и существенно исказить результаты. Как и ультрафиолетовая микроскопия электронная микроскопия неприменима во многих областях биотехнологии, так как электроны оказывают разрушающее воздействие на биологические объекты.

Сл 9

В настоящее время существует большое разнообразие электронных микроскопов (под электронным микроскопом понимается электронно-лучевой микроскоп). Рассмотрим получившие наибольшее распространение электронные микроскопы. (Пл. 7)

Сл 10

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ)

Действие данного микроскопа основано на электронном луче высоко напряжения, испускаемом катодом и формируемом магнитными линзами.. Электронный луч, пройдя через очень тонкий (и поэтому полупрозрачный для электронов) образец, несет информацию о внутренней структуре образцам После этого пространственная вариация в данной информации («рисунок») увеличивается за счет системы магнитных линз, а затем записывается посредством люминесцентного экрана, фотопластинки или светочувствительного элемента, как, например, ПЗС (прибор с зарядовой связью) камера, [приборов с зарядовой связью, сохраняющих электрический аналоговый сигнал нужное время] Рисунок, фиксируемый ПЗС, может .отражаться на мониторе компьютера в реальном времени.

Разрешение ТЭМ ограничивается сферической и хроматической аберрацией, но новое поколение корректоров аберрации позволили преодолеть сферическую аберрацию. Компьютерная коррекция сферической аберрации дала возможность получения снимков с разрешением, достаточным для отображения атомов углерода в алмазе, разделенными всего лишь 0,89 ангстремами (89 пм), и атомов кремния (78 пм). Увеличение составляло 50 млн. раз. Способность определять положение атомов внутри материала сделала ТЭМ высокого разрешения важным инструментом для исследований в области нанотехнологии.

Растровый электронный микроскоп (РЭМ)

Сл 11

В отличие от ПЭМ принцип действия РЭМ (рис) основывается на анализе, вторичных электронов, возникающих при взаимодействии электронного зонда с веществом. В основу процесса формирования изображения поверхности изучаемого объекта во вторичных электронах положен способ телевизионной развертки посредством сканирования первичного пучка электронов по поверхности образца7 то есть тонкий луч электронов.(диаметр около 10 нм) обегает образец по горизонтальным строчкам, точку за точкой. Изображение исследуемого объекта получается на экране электронно­лучевой трубки, и фиксируется при съемке на фотопленку, Основными узлами любого РЭМ являются: электронно-оптическая колонна, система

регистрации изображения и управления прибором, а также вакуумная система. \

Сл 12

Разрешение ТЭМ выше, чем у РЭМ. Однако РЭМ позволяет получать снимки валовых проб и имеет большую глубину изображения. Поэтому снимки РЭМ могут дать хорошее представление о трехмерной структуре образца.

Сл 13

Растровый просвечивающий электронный микроскоп (РТЭМ)

Представляет специальную модификацию ТЭМ, в которой электроны по-прежнему проходят через образец, но, как и в РЭМ, образец сканируется в растровом режиме.

Зеркальный [отражательный] электронный микроскоп (ЗЭМ)

Как и в ТЭМ. данная техника основывается на электронных лучах, падающих на поверхность, но вместо проникновения (ТЭМ) и вторичных электронов (РЭМ) фиксируется отраженный луч.

Дальнейшее развитие электронной, микроскопии было связано с ускорением электронов электрическим полем. Такой электрон имеет длину волны в несколько , нанометров. Это достаточно, если мы хотим увидеть молекулу или даже атомную решетку. Но как взглянуть внутрь атома? На что похожа химическая связь? Как выглядит процесс отдельной химической реакции? Для этого сегодня в разных странах ученые разрабатывают нейтронные микроскопы.

Масса нейтрона почти в 2000 раз больше массы электрона, то согласно гипотезе де Бройля в такое же количество раз длина волны протона меньше длины волны электрона. Таким образом, длина волны протона составляет пикометры. Нейтронный микроскоп даст возможность увидеть атом во всей его красе, а не в виде расплывчатого пятна. К тому же нейтронный микроскоп имеет много плюсов - в частности, нейтроны хорошо отображают атомы водорода и легко проникают в толстые слои образцов. Построить же его чрезвычайно трудно: нейтроны не имеют заряда, поэтому легко игнорируют магнитные и электрические поля, к тому же не так просто выгнать неповоротливые нейтроны из атомов. Поэтому современные прототипы нейтронного микроскопа далеки от Л совершенства.

СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ МИКРОСКОПИЯ

Сл 14

Следующим этапом эволюции микроскопии явилась сканирующая зондовая микроскопия.

На современном этапе сканирующие зондовые микроскопы обеспечивают атомарное разрешение и работают не только в вакууме, но и в газовой и жидкой среде. Они являются основным аналитическим оборудованием напотехнологов.

Всканирующих зондовых микроскопах исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств проводится с помощью специальным у образом приготовленных зондов в виде игл. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах по порядку величин составляет 0,1 - 10 нм. В основе работы зондовых микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью. Так, работа

туннельного микроскопа основана на явлении протекания туннельного тока между металлической иглой и проводящим образцом; различные типы

силового взаимодействия лежат в основе работы атомно-силового, магнитно­силового и электросилового микроскопов,. Рассмотрим общие черты, присущие различным зондовым микроскопам. Пусть взаимодействие зонда с поверхностью характеризуется некоторым параметром Р. Если существует достаточно резкая и взаимно однозначная зависимость параметра Р от расстояния зонд - образец Р = P(z), то данный параметр может быть использован для организации системы обратной связи (ОС), контролирующей расстояние между зондом и образцом. На рис. 1 схематично показан общий принцип организации обратной связи сканирующего зондового микроскопа.

Во всех упомянутых методах применяется принцип облучения исследуемого объекта потоком частиц и детектирования результатов взаимодействия пучка частиц с объектом исследования. В сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) использован другой принцип: вместо зондирующих частиц в ней используется твердотельный механический зонд в виде иглы и детектируется результат взаимодействия иглы с поверхностью исследуемого объекта. При этом может использоваться взаимодействие различной природы (механическое, электростатическое, магнитное, электромагнитное). Образно выражаясь можно сказать, что. если в оптическом или электронном микроскопах образец осматривается, то в СЗМ - ощупывается.

Другим важным принципом, отраженным в названии метода СЗМ, является принцип j сканирования, т.е. получение не усредненной информации об объекте исследования, а дискретное (от точки к точке, от линии к линии) перемещение зонда и считывание информации в каждой точке,

СЗМ - один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. За последние 10 лет сканирующая зондовая микроскопия превратилась из экзотической методики. доступной лишь ограниченному числу исследовательских групп, в широко распространенный и успешно применяемый инструмент для исследования свойств поверхности. В настоящее время практически ни одно исследование в области физики поверхности и тонкопленочных технологий не обходится без применения методов СЗМ.

Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило также основой для развития новых методов в нанотехнологии - технологии создания структур с нанометровыми масштабами.

Широкое распространение получили также сканеры на основе биморфных пьзоэлементов. Биморф представляет собой две пластины пьезоэлектрика, склеенные между собой таким образом, что вектора поляризации в каждой из иих направлены в противоположные стороны (рис. 5). Если подать напряжение на электроды биморфа, то одна из пластин будет расширяться, а другая сжиматься, что приведет к изгибу всего элемента. В реальных конструкциях биморфных элементов создается разность потенциалов между внутренним общим и внешними электродами так, чтобы в одном 1 элементе поле совпадало с направлением вектора поляризации, а в другом было направлено противоположно.

Сл 15

Для работы зондовых микроскопов необходимо контролировать рабочее расстояние зонд-образец и осуществлять перемещения зонда в плоскости образца с точностью до долей нанометра. Эта задача решается с помощью специальных манипуляторов - сканирующих элементов (сканеров). Сканирующие элементы зондовых микроскопов изготавливаются из пьезоэлектриков - материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами.

Сл 16

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) - первый из семейства зондовых микроскопов - был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. В своих работах они показали, что это достаточно простой и весьма эффективный способ исследования поверхности с пространственным разрешением вплоть до атомного. Настоящее признание данная методика получила после визуализации атомной структуры поверхности ряда материалов и, в частности, реконструированной поверхности кремния. В 1986 году за создание туннельного микроскопа Г. Биннигу и Г. Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике.

Принцип действия данных микроскопов основывается на изучении вещества не посредством визуального увеличения исследуемой поверхности, а как бы трогая ее. Здесь пригодился туннельный эффект, на основе которого в 1981 г. Г. Бининг и Г. Рорер построили первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).

Туннельный эффект является принципиально квантовомеханическим эффектом, основанным на корпускулярно-волновом дуализме элементарных частиц. (Пл. 9)

С точки зрения классической механики, очевидно, что никакое материальное тело, имеющее энергию Е, не может преодолеть потенциальный барьер высотой Ео, если Ео>Е. Однако в случае электрона даже если высота потенциального барьера выше, чем собственная энергия электрона, то он с определенной вероятностью может оказаться с другой стороны барьера, лишь незначительно изменив свою энергию, как если бы в «заборе» оказалась бы некая «дырка» или туннель.

Таким образом, над поверхностью любого проводника или полупроводника всегда наблюдается небольшое количество свободных электронов, «вышедших» за его пределы не благодаря термоэлектронной эмиссии, а за счет туннельного эффекта.

Если взять два проводящих вещества, расположить их на расстоянии 0,5 нм друг от друга и приложить небольшую разность потенциалов (0,1-1 В), то

между ними возникает электрический ток. обусловленный туннельным эффектом, то есть туннельный ток.

Рабочим органом СТМ - зондом - служит токопроводящая металлическая игла. Туннельный ток, возникающий между образцом и иглой, экспоненциально зависит от расстояния между ними, то есть при увеличении расстояния лишь на 0,1 нм ток уменьшается почти в 10 раз. Это обеспечивает высокую разрешающую способность микроскопа, поскольку незначительные изменения по высоте рельефа вызывают существенное изменение туннельного тока.

Существует два варианта конструкции СТМ в зависимости от режима сканирования образцов, (Пл. 10)

. В режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирования изменяется. ACM позволяет изучать поверхности с атомной точностью независимо от проводимости образна. На сегодняшний день АСМ представляют наибольший интерес для исследователей.Принцип действия ACM основан на регистрации силы притяжения иглы к поверхности. (Пл. 12) Игла расположена на конце кантилевера, способного изгибаться под действием небольших межатомных сил, которые возникают между исследуемой поверхностью и кончиком острия. Мельчайшие отклонения кантилевера фиксируются с помощью лазерного луча, отражающегося от его тыльной поверхности на фотодиод. По изменению показаний фотодиода судят о рельефе исследуемого объекта. (Пл. 13, 14)

Сл 19

Условно методы получения информации о рельефе и свойствах поверхности с помощью ACM можно разбить на две большие группы - контактные квазистатические и бесконтактные колебательные. В контактных квазистатических методиках остриё зонда находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью, при этом силы , притяжения и отталкивания, действующие со стороны образца, уравновешиваются силой | упругости консоли.

Сл 20

При работе ACM в таких режимах используются кантилеверы с относительно малыми коэффициентами жесткости, что позволяет обеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерного воздействия зонда на образец.

Сл 21

Атомно-силовая микроскопия оказалась на столько эффективной, что на ее основе были созданы другие специфические методики, позволяющие получать картины не только рельефа поверхности, но и многих других показателей. В частности, на сегодняшний день

Наиболее распространены следующие разновидности АСМ

1 Магнито-силовой микроскоп (МСМ) в качестве зонда использует намагниченное острие. Его взаимодействие с поверхностью образца позволяет регистрировать магнитные микрополя и представлять их в виде карты намагниченности.

2 Электро-силовой микроскоп (ЭСМ) - в нем острие и образец рассматриваются как конденсатор, и измеряется изменение емкости вдоль поверхности образца.

3 Сканирующий тепловой микроскоп регистрирует распределение температуры по поверхности образца. Его разрешение достигает порядка 50 нм, так как в меньших масштабах такая макроскопическая характеристика вещества как температура не применима.

В режиме постоянного тока СТМ задействуется система обратной связи для поддержания постоянного тока туннелирования путем подстройки высоты сканирующего устройства над поверхностью в каждой точке.

У каждого режима есть преимущества и недостатки. Режим постоянной высоты быстрее, так как не требуется передвижение сканирующего устройства вверх-вниз, но при этом можно получить полезную информацию только с относительно гладких образцов. В режиме постоянного тока можно с высокой точностью изучать сложные поверхности, но он занимает и больше времени. (Пл. 11)

Важной частью СТМ является механический манипулятор, который должен обеспечивать перемещение зонда над поверхностью с точностью до тысячных долей -нанометра. Обычно он изготавливается из пьезокерамического материала. Удивительным свойством данного материал^ является пьезоэффект. Пьезоэлектричество (от греч. piezo — давлю и злс'л;. ?.?). явления возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект) и возникновения механических деформаций под действием электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект). Прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты наблюдаются в одних и тех же кристаллах — пьезоэлектриках.

Сл 17

Основным недостатком туннельного микроскопа, ограничивающим области его использования является то. что он может применяться для изучения только материалов, хорошо проводящих электрический ток. Однако в случае непроводящих материалов есть

Выход из сложившийся ситуации - нанесение на поверхность образца покрытия из

токопроводящего материала, например, золота) толщиной несколько нанометров. Одним ограничением может служить хрупкость образца, так как напыление может повредить первоначальную структуру поверхности.

(ACM), магнитно-силовой микроскоп (МСМ), электросиловой

юпольный оптический микроскоп (БОМ) и многие другие -ты работы и называемые сканирующими зондовыми

зондовая микроскопия - это бурно развивающаяся

Сл 18

Прогресс не стоит на месте ис 1986 году были созданы микроскопы следующего поколения – атомные силовые(АМС)

Зонд сканирует образец подобно игле СТМ, и если меняется расстояние между . исследуемой поверхностью и кончиком зонда, то меняются и характеристики отраженной свстовой волны (фаза и амплитуда). Эти изменения регистрируются приемником и используются для построения изображения рельефа поверхности.

Разрешение данного микроскопа достигает 50 нм, что на порядки превосходит разрешение обычного оптического микроскопа.

Более того, недавно разработчики добились еще большего разрешения SNOM, I объединив ближнепольную оптическую микроскопию с многоножкой от ЮМ. Новый микроскоп назван Snomipede (SNOM Millipede).

Основа микроскопа - набор атомно-силовых "ножек" устройства Millipede, которые производят сканирование исследуемой поверхности.

SNOM-технология учитывает детекцию отражения света от атомно-силовых кантилеверов многоножки. При этом используются современные вычислительные технологии для построения готового изображения.

Ранее Институт стандартов США. NIST, продемонстрировал оптический микроскоп, основанный на SNOM-технологии. Тогда предел разрешения составлял 40 нанометров. В гибридном же устройстве ученые смогут увидеть структуры размерами до 13 нанометров.

I Если исследователям удастся сделать новый микроскоп достаточно простым в 1 изготовлении, то нанотехнологи получат точный и удобный инструмент, с помощью которого можно будет создавать наномашины и наноустройства.

Сл 24

НАНОИНДЕНТИРОВАНИЕ

Наноиндентирование аналогично стандартному испытанию на твердость, но проводимому на значительно [меньшем. уровне. Усилие, необходимое для введения острого алмазного индентера в материал, измеряется Как функция глубины погружения. Так как величина погружения на\уровне нанометров, то можно проводить данный эксперимент даже на тонких пленках. Две величины, которые могут быть получены посредством наноиндентирования, - модуль упругости материала или жесткость и твердость, которая может коррелироваться с набранной прочностью. Исследователи также использовали наноиндентирование для изучения ползучести, пластической деформации и разрушения материалов. /

Результаты практических опытов показали, что абсолютное большинство материалов в субмикронных масштабах ведут себя как предельно прочные, даже если в обычном

4 Сканирующий фрикционный микроскоп «скребется» по поверхности образца, составляя карту сил трения. (Пл. 15)

5 Магниторезонансный микроскоп позволяет получать изображение спинов отдельных электронов, отслеживая реакцию поверхности на быстро изменяющееся магнитное поле зонда.

6 Атомно-силовой акустический микроскоп позволяет очень точно измерять модуль Юнга в каждой точке как мягких, так и твердых образцов.

Сл22

Одним из недостатков ACM является невозможность изучить глубинную структуру образца - ведь зонд скользит по поверхности и не может заглянуть внутрь. Однако это ограничение удалось обойти - построен настоящий дизассемблер, названный трехмерным

атомно-зондовым томографом, который сканирует небольшой участок, затем «выщипывает» слой толщиной в один атом и сканирует участок снова.Скорость

«выщипывания» составляет 20000 атомов в секунду.(дочитать)

Сл 23

Отдельного внимания заслуживает сканирующий оптический микроскоп ближнего поля.

Предел разрешения в классической оптике определяется согласно критерию Аббе длинной волны излучения и расстоянием между исследуемым объектом и объективом. Для того, чтобы преодолеть этот предел, необходимо приблизить объектив к образцу на расстояние, меньшее длины волны. До 80-х годов 20-го столетия это было невозможно.

После создания туннельного электронного микроскопа стало технически возможным приблизить и удержать объектив над образцом на расстоянии, меньшем длины волны. Таким образом, в оптической микроскопии возникло новое направление -SNOM микроскопия [2.3] (near-field scanning optical microscopy).

Рассмотрим принцип действия СОМБЛ. (Пл. 17)

Данный микроскоп напоминает СТМ, только в качестве зонда применяется очень тонкая «прозрачная игла» из оптоволокна, а вместо туннельного тока регистрируется изменения характеристик проходящего по ней лазерного луча.

Как происходит сканирование? Оптоволоконный зонд, сужающийся до диаметра меньше длины волны света, подносится вплотную сканируемой поверхности (на расстояние меньше длины волны). Согласно законам оптики на границе раздела двух сред различной плотности световой луч преломляется и отражается от торца иглы. При этом волна не выходи т из волокна на большое расстояние, а лишь немного «выталкивается» из ее кончика.

Более точных методов измерения массы предельно малых объектов, чем нановесы, пока еще нет.

СПЕКТРОСКОПИЯ

Для изучения наноструктур важно знать не только их массу или расположение атомов, но и то из чего они состоят. Определять химический состав образцов позволяют методы спектроскопии, использующие различные приборы для исследования спектров излучения. поглощения, отражения, рассеяния и др.

Спектр- распределение интенсивности электромагнитного излучения по длинам волн.

Изменение энергетических уровней электронов в атомах сопровождается испусканием или поглощением фотонов различной частоты. Поэтому каждому элементу соответствует свой спектр, зная который, можно, взглянув на спектр вещества, определить его состав.

Один из самых современных спектрометров, разработанный российским ученым Н. Суриным, позволяет одновременно исследовать спектры испущенного объектом изучения, люминесценции, рассеяния, света, излучения, отраженного поверхностью объекта и излучения, прошедшего через образец. Это дает большое количество информации не только о составе образца, но и о происходящих в нем квантовых процессах.

С помощью спектрометра можно узнать не только состав, но и. например, количество наночастиц.

Сл 26

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАНОСТРУКТУР

Прежде чем создать нанообъект, необходимо детально разработать его структуру и технологию создания. Для того, чтобы понять будет работать та или иная наносистема и при этом не строить дорогостоящие прототипы, инженеры используют модели.

Молекулярные модели могут быть разными. В самом простом случае это физические модели из цветных шариков. Данные модели просты и наглядны, но недостоверны.

В связи с этим нанотехнологии обычно используют компьютерные модели с заданием настоящих законов квантовой физики. При создании моделей большинство необходимых расчетов, основанных на теоретических данных, берет на себя компьютерная программа. На современном этапе, когда мы можем судить о квантовых законах с большой достоверностью, расчет и моделирование наноструктур стали вполне реальной задачей.

состоянии являются мягкими материалами. Другими словами, в условиях наноконтакта твердость материала может во много раз превышать его макроскопическую твердость.

Сущность метода заключается в погружении наконечника в поверхность образца на глубину нескольких нанометров и непрерывной регистрации прилагаемого усилия. По полученным данным строится диаграмма «сила давления - глубина погружения», из которой можно извлечь десятки параметров, характеризующих материал на наноуровне. (Пл. 18)

Данный, сравнительно простой и недорогой, метод позволяет, имея в распоряжении минимум материала, производить комплексные исследования его поверхностных свойств.

Сл25

НАНОВЕСЫ

Весами, на которых можно взвесить тела с массой в несколько милли- и микрограмм, давно уже никого не удивишь.

А можно ли взвесить объект, масса которого в десятки миллионов раз меньше микрограмма? Для работы с подобными микроскопическими телами недавно сотрудниками Технологического института штата Джорджии (США) были созданы самые чувствительные и самые маленькие в мире весы. Они состоят из тонкого кантилевера- нанотрубки длиной около 4 микрон (он-то и представляет собой чашу весов). На Пл. 19 изображена процедура взвешивания вируса, масса которого равна 22 фемтограмма (1 фм = 10'15г).

В основе работы нановесов лежит следующая зависимость: собственная частота колебаний пружины (маятник) зависит от массы груза и ее жесткости. То есть, зная коэффициент упругости пружины и измерив частоту колебаний, можно легко определить массу частицы, находящейся на ее конце. Точно так же можно измерять массу, подсоединенную к свободному концу нанотрубки. В созданных весах кантилевер приводится в колебательное движение с помощью импульса лазера или переменного электрического поля. При этом он освещается лазерным лучом, способным улавливать мельчайшие отклонения его собственной частоты колебания. Как только частица попадает на кантилевер, частота его колебаний уменьшается. Сдвиг собственной частоты из-за искомой добавочной массы измеряется с помощью «зайчика», отражающегося от кантилевера.

Если известна упругость нанотрубки, то можно по смещению резонансной частоты определить массу частицы. При присоединении массы в 10' г резонансная частота падает более чем на 40%. что говорит о высокой чувствительности данного метода.