Микроскопия вчера, сегодня, завтра (стр. 2 из 2)

Отметим вкратце еще некоторые виды лазерно-силовых микроскопов. В магнитно-силовом микроскопе вместо вольфрамового или кремниевого острия используется намагниченный никелевый или железный зонд. Когда вибрирующий зонд подносится к исследуемому образцу-магнетику, воздействующая на кончик острия сила изменяет его резонансную частоту и, следовательно, амплитуду колебаний. Этот микроскоп позволяет исследовать магнитное поле с разрешением лучше 25 нм. С его помощью можно изучать структуру магнитных битов информации на дисках и других магнитных носителях путем непосредственного контроля качества считывающей головки и запоминающей среды.

В электростатическом силовом микроскопе вибрирующий зонд несет электрический заряд, а амплитуда его вибраций зависит от электростатических сил, возникающих в результате взаимодействия с зарядами на поверхности образца. С помощью такого микроскопа можно выявлять картину распределения электрофизических свойств различных материалов, например, концентрации легирующей примеси в кремнии. (Напомним, что легирование полупроводников применяется для изменения соотношения между концентрациями подвижных отрицательных и положительных носителей заряда – электронов и дырок соответственно.) Для этого к зазору между зондом электростатического силового микроскопа и исследуемой поверхностью прикладывается напряжение, которое смещает электроны или дырки под зондом, оставляя там заряженную область, электростатически взаимодействующую с острием. Последовательные перемещения острия зонда позволяют точно и с высоким разрешением измерить величину заряда, а следовательно, и количество смещенных электронов или дырок, соответствующее концентрации легирующих атомов.

Зонд растрового термического микроскопа является, пожалуй, самым крошечным в мире термометром: он позволяет измерять поверхностные изменения температуры в десятитысячную долю градуса на длине несколько десятков нанометров. Зонд представляет собой вольфрамомую проволочку до 30 нм в поперечнике, покрытую никелем, который отделен от вольфрама слоем диэлектрика везде, кроме самого кончика (рис. 17). Такой вольфрамо-никелевый зонд работает как термопара, генерируя напряжение, пропорциональное его температуре.

Когда нагретый кончик зонда приближают к исследуемому (твердотельному) образцу, являющемуся лучшим проводником тепла, чем воздух, теплопотери кончика острия возрастают. Последний охлаждается, термоэдс термопары уменьшается пропорционально изменению ширины зазора. Наоборот, когда зонд удаляется от образца, термоэдс увеличивается. Таким образом, потери тепла выявляют топографию исследуемой поверхности точно так же, как туннельный ток или силы межатомного отталкивания выполняют эту роль в микроскопах ближнего поля. Растровый термический микроскоп применяют для картографирования температуры в живых клетках или для измерения очень малых, практически незаметных скоростей истечения потоков жидкости или газа.

Не претендуя на вытеснение оптической микроскопии, техника сканирующих зондов обещает расширить ее возможности. Сейчас рассматриваются способы перенесения в микроскопию ближнего поля таких чисто оптических эффектов, как поляризационный контраст, фазовый контраст, методы усиления контраста и т.д. Существующие сканирующие микроскопы с зондами-остриями позволяют с разрешением в несколько нанометров «увидеть» мир молекул или микросхем, а в совокупности со средствами оптической микроскопии эта же техника, по-видимому, раскроет перед нами этот мир в привычных для нас свете, тенях и цвете.

И в заключение упомянем еще об одном, совершенно новом методе – протонной микроскопии, или протонной радиографии. Этот термин, правда, соответствует методу в такой же степени, что и название «микроскопия» рентгеноструктурному анализу. В основе лежит так называемый эффект теней. В одном из вариантов кристаллический образец «освещают» параллельным пучком протонов, высокая энергия которых (сотни или даже тысячи кэВ) позволяет им проникнуть чрезвычайно близко к ядрам атомов, составляющих кристаллическую решетку образца. Рассеиваясь на ядрах в различных направлениях, протоны «продираются» скавозь кристалл, частично выходят из него и засвечивают расположенную с «освещаемой» стороны образца фотопластинку, где получается специфическая сетка ярких линий с пятнами разных размеров. Эта картина напоминает картины дифракции электронов или рентгеновских лучей на кристаллах. Однако подобие это чисто внешнее, т.к. принципиально различны механизмы их получения. В первых двух случаях происходит волновое взаимодействие, тогда как при протонографии – корпускулярное взаимодействие протонов и ядер. Это отличие дает определенное преимущество: повышая энергию протонов, мы увеличиваем глубину их проникновения в образец, не ухудшая при этом (что наиболее важно) способность «видеть» атомы.

Физика взаимодействия протонов с ядрами очень сложна, и мы останавливаться на ней не будем. Отметим лишь возможности протонографии. По протонограмме можно определить тип структуры кристалла, кристаллографическую ориентацию, углы между кристаллографическими осями. Ее вид чрезвычайно чувствителен к малейшим искажениям (деформациям) кристаллической решетки. Протонограмма также регистрирует точечные дефекты. Важным преимуществом протонографии является возможность послойного анализа микроструктуры кристаллических образцов без их разрушения: повышая энергию протонов, можно проникать все глубже и глубже.

Послойное исследование можно проводить, и не меняя энергии. Для этого перед фотопластинкой помещают металлическую фольгу определенной толщины. Протоны, вышедшие из глубины образца и потерявшие, таким образом, значительную часть энергии, будут поглощаться фольгой, тогда как протоны, рассеянные вблизи поверхности, пройдут сквозь фольгу и попадут на пластинку. Последовательно меняя толщину фольги, можно получить серию протонограмм с различной глубины образца и установить, например, распределение по глубине каких-либо дефектов. При этом, отметим еще раз, образец не разрушается.

Чего же можно ждать от микроскопии завтрашнего дня? На решение каких задач можно рассчитывать? Прежде всего – распространение на все новые и новые объекты. Достижение атомарного разрешения, безусловно, является крупнейшим завоеванием научной и технической мысли. Однако не будем забывать, что это достижение распространяется лишь на ограниченный круг объектов, помещенных к тому же в весьма специфические, необычные и сильно воздействующие условия. Поэтому необходимо стремиться распространить атомарное разрешение на широкий круг объектов.

Со временем можно ожидать привлечения «на работу» в микроскопах другие заряженные частицы. Ясно, однако, что этому должны предшествовать поиски и разработка мощных источников таких частиц; кроме того, создание микроскопов нового типа будет определяться появлением конкретных научных задач, в решение которых именно эти новые частицы внесут решающий вклад.

Будут совершенствоваться микроскопические исследования процессов в динамике, т.е. происходящих непосредственно в микроскопе или в сочлененных с ним установках. К таким процессам относятся испытания образцов в микроскопе (нагрев, растяжение и т.д.) непосредственно во время анализа их микроструктуры. Здесь успех будет обусловлен, в первую очередь, развитием техники высокоскоростной фотографии и повышением временного разрешения детекторов (экранов) микроскопов, а также использованием мощных современных компьютеров.