Главная фишка наномашин и прочих нанотехнологий в том, что их не видно. И даже обычный микроскоп тут не факт, что поможет, микро- всё-таки в тысячу раз больше, чем нано-. И вот здесь нам поможет сегодняшний пациент: Сканирующий Туннельный Микроскоп, дальше будем кратко называть его СТМ, был изобретен в 1981 г. Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в лаборатории IBM в Цюрихе, а в 1986 принес своим создателям Нобелевскую премию. Правда, только половину, вторую часть получил Эрнст Август Фридрих Руска уже за другой микроскоп.
![Герд Карл Бинниг и Генрих Рорер -- создатели СТМ Герд Карл Бинниг и Генрих Рорер -- создатели СТМ](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/b3e/14c/714/b3e14c714d4cdbddacc707def8ccad9f.png)
СТМ не был первым микроскопом, позволившим увидеть поверхность на наноуровне. История просвечивающего электронного микроскопа началась на век раньше (1873), а первый рабочий вариант был собран за полвека (1931) до СТМ. Однако, тот имел очень большие ограничения из-за того, что пробивал исследуемый объект потоком электронов. Первое – толщина исследуемых образцов не больше 100 нм, попробуй их такие еще создай в 1931-ом. Второе – уничтожение образца при исследовании. То есть дают нам коллеги объект на исследование, мы изучаем, смотрим, что там как, рассказываем, какую замечательную штуку они сделали, они радуются, а потом говорят: «Давайте его обратно, мы сейчас его вон туда поставим, и все заработает». Неудобно получается… Тем не менее, именно за создание просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска получил свою половину нобелевки в 1986.
![СТМ собственной персоной СТМ собственной персоной](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/b82/d65/a2e/b82d65a2e4537403f96dac954540a8fd.png)
Очевидно, что лишенный таких недостатков СТМ снискал куда большую любовь. Иронично, ведь он тоже пробивает свою жертву электронами, просто чуть нежнее. Итак, что же нам нужно для СТМ? Не так много – проводящая площадка и зонд-игла, на которую будем подавать определенное напряжение, а дальше работает старый добрый закон Ома – чем меньше итоговый ток, тем толще здесь наш образец. Раз все так просто, то почему сама установка обычно выглядит как стальной хтонический монстр? Ну, давайте по порядку:
1. Давайте сначала посмотрим, а как в принципе функционирует СТМ. Основными считаются два рабочих режима: постоянной высоты и постоянного тока. В первом случае зонд идет на фиксированной высоте и мы замеряем силу тока, во втором – фиксируем определенное значение силы тока и регистрируем ту высоту зонда, на которой будет нужный ток. Теперь остается поделить поверхность на узкие полоски, по которым наш зонд будет ползать, а потом полученные линии собрать в единый рисунок.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/14a/50c/b3a/14a50cb3a05803c47a70a0ad0c06ca35.png)
2. Что же может нам помешать? Во-первых, атмосфера, поскольку она повлияет на проводимость. Во-вторых – сам образец. Очень удобно изучать нечто однородное, но если там вкрапления веществ с разной проводимостью, то и картину рельефа мы получим далекую от действительности. С другой стороны, не всегда нам нужен именно рельеф. Полупроводниковые наноструктуры интересны своими электрическими свойствами, поэтому тут картина проводимости будет куда полезнее.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/4d4/e97/2f4/4d4e972f46e07c931bbff61d7463a0f4.png)
3. Поэтому СТМ бывают разные, хтонь со второго фото – это современный исследовательский прибор высокого класса, который может и в сверхвысокий вакуум, и в работу при 4°К (жидком гелии), а еще имеет дополнительные манипуляторы и возможность наблюдения при наведении различного излучения на образец. Поэтому все трубки, провода и датчики – это как раз про дополнительные возможности. Например, Solver PRO вполне адекватных размеров и вида, а его брат SOLVER NEXT (фото 5) так вообще смотрится как просто странный системник. Очевидно, функционал у него тоже попроще.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c12/655/eaf/c12655eaf64369df04da37d502be1b11.png)
С устройством и видами определились, теперь давайте а зачем оно собственно нужно. Ну во-первых, наноэлектроника. Все полупроводниковые фишки типа квантовых точек, квантовых нитей, сверхрешеток из них, все это первоочередные пациенты СТМ. Во-вторых, более сложные сборки из них, микропроцессоры, которые давно уже нано, но по старой памяти зовутся микро, новые виды твердотельной памяти, кристаллы для лазеров. С этими ребятами все действительно очевидно, поскольку в первую очередь мы замеряем электрические характеристики.
А вот дальше сложнее, ибо в третью очередь у нас идут биологические объекты. В эпоху ковида наверняка каждый читатель смотрел на модели короновируса, а заодно резко восстанавливал школьные знания про антитела и их работу. Ну или хотя бы смотрели Пинкод Смешариков, там тоже вполне неплохо объяснили суть. Главное – нам важно знать, как выглядят всевозможные хвостики, жгутики и выступы на поверхности вирусов и бактерий, что бы эффективно обучить организм им сопротивляться. И вот здесь СТМ оказывается лучше своих собратьев, поскольку выдает уйму информации в самые короткие сроки, ведь нам даже не надо специальным образом готовить образец или очищать его от среды, в которой он находился, потому что достаточно будет определить возмущения электрических характеристик и форму области, в которой они есть, а не конкретные значения. Поэтому несмотря на почтенный возраст и ряд собственных ограничений СТМ очень популярен и решает многие актуальные научные задачи.
![Атомно-силовой микроскоп FM-Nanoview 1000 Атомно-силовой микроскоп FM-Nanoview 1000](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/d7d/971/fac/d7d971faccaa92c4896539d5f6ad062d.png)
Пару раз я упоминал про собратьев СТМ, давайте пару слов и о них. Атомно-Силовой Микроскоп, АСМ, был изобретен на год позже, и, по сути, является модификацией СТМ. В чьей цюрихской лаборатории это произошло, можете догадаться сами. Более того, в большинстве случаев, современные сканирующие микроскопы имеют режимы СТМ и АСМ, то есть два в одном. Очевидная проблема СТМ – невозможность изучать то, что не проводит ток. В этом случае нам остается только непосредственно «пощупать» зондом поверхность, регистрируя изгиб упругой держащей пластинки -- кантилевера . При этом щупать можно и подавая электрический ток. Да-да, использовать АСМ как СТМ, но чуть более хитро. Основная проблема – зонд повреждается и отклоняется не всегда известным образом, поэтому проходя одну и ту же линию два раза даже в одном направлении можно получить разные картинки. А уж если пойти в обратку – то с вероятность в 99% будет что-то новое. 1% приходится на абсолютно гладкие поверхности, но зачем их смотреть? В любом случае – АСМ сейчас это основная рабочая лошадка, он применяется вообще везде, где нужно узнать о чем-то на наномасштабах.
![Тестовая ванадиевая решётка. АСМ изображение. Топография Тестовая ванадиевая решётка. АСМ изображение. Топография](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/2b4/069/d72/2b4069d72ab9a15600198339b09b5877.png)
Спустя еще пару лет в 1984 появился и третий брат – Ближнепольный Оптический Микроскоп, БОМ, все в том же цюрихском роддоме приборов по исследованию нанорельефа. Изначальная идея была предложена еще в 1928, но на тот момент было невозможно представить, как ее реализовать. Да и сейчас не особо верится, если честно. Суть в чем – когда мы говорим про что-то оптическое, то подразумеваем использование видимого света.
![Certus NSOM - сканирующий оптический микроскоп ближнего поля Certus NSOM - сканирующий оптический микроскоп ближнего поля](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/01f/fdd/36a/01ffdd36afe4c67a8c6c9eb0acd7738b.jpg)
Длина волны 400-700нм, из школьного курса мы помним, что все явления могут происходит при размерах больше половины длины волны, т.е. больше 200 нм. Однако технология БОМ позволяет заглянуть глубже – если приемник света будет близок к поверхности, то он зарегистрирует рассеяния порядка расстояния до поверхности. Как легко догадаться, в качестве приемника света используется модифицированный зонд СТМ, но получаем мы непосредственно оптическое изображение в видимом диапазоне света.
![Тестовая ванадиевая решётка. Ближнепольное оптическое изображение. Тестовая ванадиевая решётка. Ближнепольное оптическое изображение.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/b4d/619/b5a/b4d619b5ac9fc1f8048b5aff5888e3f0.png)
Изобретение в 1981 году первого СТМ положило начало целому научному направлению – сканирующей зондовой микроскопии. На данный момент это основной метод изучения объектов размером порядка нанометра. Появление на его основе АСМ и БОМ открыло грандиозные возможности для исследователей всех областей современных естественных и технических наук, даже сложно представить, могла бы в принципе существовать нанонаука без них.
Автор: Сергей Васильев