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技术历史、技术、我们身边的事物
扫描探针显微镜。 发明和生产的历史
表面特性研究中最年轻、同时也很有希望的方向是扫描探针显微镜。 探针显微镜具有创纪录的分辨率 - 小于 0,1 nm。 他们可以测量表面和扫描它的微观尖端（探针）之间的相互作用，并在计算机屏幕上显示三维图像。
探针显微镜方法不仅可以看到原子和分子，还可以影响它们。 在这种情况下，特别重要的是，物体不一定可以在真空中研究（这通常用于电子显微镜），也可以在各种气体和液体中进行研究。 探针扫描隧道显微镜由 IBM 研究中心的员工 G. Binning 和 H. Rohrer（美国）于 1981 年发明。 五年后，他们因这项发明获得了诺贝尔奖。 Binning 和 Rohrer 试图设计一种设备来研究小于 10 nm 的表面积。 结果超出了最疯狂的预期：科学家们能够看到单个原子，其大小只有大约一纳米。 扫描隧道显微镜的操作基于称为隧道效应的量子力学现象。 一个非常薄的金属尖端 - 带负电荷的探针 - 靠近样品，也是金属，带正电荷。 那一刻，当它们之间的距离达到几个原子间的距离时，电子就会开始自由地穿过它——“隧道”：电流会从缝隙中流过。 对显微镜的操作非常重要的是隧道电流对尖端和样品表面之间的距离的强烈依赖性。 如果间隙仅减少 0,1 nm，电流将增加约 10 倍。 因此，即使是原子大小的不规则性也会导致电流幅度的明显波动。
为了获取图像，探头扫描表面，电子系统读取当前值。 根据该值的变化方式，尖端会下降或上升。 因此，系统保持电流值恒定，并且尖端的运动轨迹跟随地表的起伏，在丘陵和洼地周围弯曲。 尖端移动一个压电扫描器，它是一种由可在电压影响下发生变化的材料制成的操纵器。 压电扫描仪通常采用具有多个电极的管的形式，这些电极伸长或弯曲，以千分之一纳米的精度沿不同方向移动探头。 有关尖端移动的信息被转换为表面图像，并在屏幕上逐点构建。 为清楚起见，不同高度的部分涂有不同的颜色。 理想情况下，探针末端应该有一个固定原子。 如果针的末端有几个突起，图像可能会增加一倍或三倍。 为了消除缺陷，针在酸中蚀刻，使其具有所需的形状。 在隧道显微镜的帮助下，取得了许多发现。 例如，他们发现晶体表面的原子与内部的排列方式不同，并且经常形成复杂的结构。 在隧道显微镜的帮助下，只能研究导电物体。 然而，当它们被放置在导电材料的表面上时，也可以观察薄膜形式的薄电介质。 尽管这种效应尚未完全解释，但它已成功用于研究许多有机薄膜和生物对象——蛋白质、病毒。 显微镜的可能性很大。 在显微镜针的帮助下，图纸甚至可以应用于金属板上。 为此，单独的原子被用作“书写”材料——它们被沉积在表面上或从表面移除。 因此，在 1991 年，IBM 员工在一块镍板的表面上写下了氙原子，上面写着他们公司的名称——IBM。 字母“I”仅由 9 个原子组成，而字母“B”和“M”分别由 13 个原子组成。 Binning、Kveit 和 Gerber 于 1986 年采取了扫描探针显微镜的下一步发展。 他们创造了原子力显微镜。 如果在隧道显微镜中起决定性作用的是隧道电流对探针和样品之间距离的强烈依赖性，那么对于原子力显微镜，物体相互作用力对它们之间距离的依赖性是决定性的重要性。 原子力显微镜的探针是一块微型弹性板——悬臂。 此外，它的一端是固定的，而另一端的探测尖端由固体材料——硅或氮化硅制成。 当探针移动时，其原子与样品不平整表面之间的相互作用力将使板弯曲。 通过实现探头的这种移动，当偏转保持恒定时，可以获得表面轮廓的图像。 显微镜的这种操作模式称为接触模式，可以以几分之一纳米的分辨率测量所研究对象的浮雕，以及摩擦力、弹性和粘度。 与样品接触的扫描经常导致其变形和破坏。 探针对表面的影响可能是有用的，例如，在微电路的制造中。 然而，探针很容易破坏聚合物薄膜或损坏细菌，导致其死亡。 为避免这种情况，悬臂在表面附近发生共振振荡，并记录由与表面相互作用引起的振荡幅度、频率或相位的变化。 这种方法使研究活的微生物成为可能：一根摆动的针像轻轻的按摩一样作用于细菌，不会造成伤害，并且可以让你观察它的运动、生长和分裂。 1987 年，I. Martin 和 K. Vikrama-singh（美国）建议使用磁化微针作为探针。 结果是磁力显微镜。 这种显微镜可以看到材料中的单个磁性区域 - 磁畴 - 尺寸高达 10 nm。 它还用于通过使用针和永磁体的磁场在薄膜表面上形成畴来进行信息的超密集记录。 这种记录的密度是现代磁盘和光盘的数百倍。 在IBM、日立、吉列、宝丽来、奥林巴斯、Joyle、Digital Instruments等巨头经营的世界微机械市场中，俄罗斯也占有一席之地。 来自莫斯科附近泽列诺格勒的小公司 MDT 的声音越来越响亮。 首席技术专家丹尼斯·沙布拉托夫建议：“让我们将一张由我们远古祖先绘制的岩画复制到一个比人类头发小 10 倍的盘子上。”沿着“画布”，在它接触到的地方，有一个原子出现了。渐渐地，显示屏上出现了一只鹿，后面跟着骑手。 MDT是该国唯一的探针显微镜和探针制造商。 她是世界四大领袖之一。 公司产品销往美国、日本、欧洲。 这一切都始于这样一个事实，即处于危机中的泽列诺格勒研究所之一的年轻工程师 Denis Shabratov 和 Arkady Gologanov 在思考如何生存时选择了微机械。 他们不无道理地认为这是最有希望的方向。 “我们没有必须与强大竞争对手竞争的综合体，”戈洛加诺夫回忆道，“当然，我们的设备不如进口设备，但另一方面，它让我们变得狡猾，需要动脑筋。而且他们绝对不会比我们差。耕作绰绰有余。我们每周XNUMX天，昼夜不停地工作。最困难的事情甚至不是制造超小型探头，而是卖掉它。我们知道我们的是最好的在世界上，我们在互联网上大喊大叫，我们用传真轰炸客户，总之，我们像那只青蛙一样捶腿，——零关注。” 在得知显微镜生产的领导者之一日本公司 Joyle 正在寻找形状非常复杂的针头后，他们意识到这是他们的机会。 该订单花费了很多精力和神经，但收到的却很少。 但钱不是主要的——现在他们可以大声宣布：著名的“乔伊尔”是我们的客户。 同样，在将近一年半的时间里，MDT 为美国国家标准与技术研究院免费制作了特殊探头。 一个新的大牌出现在客户名单上。 沙布拉托夫说：“现在的订单流如此之大，我们无法再满足所有人。”供应中断，质量低下，分包商没有义务”。 扫描探针显微镜的出现成功地恰逢计算机技术快速发展的开始，为探针显微镜的使用开辟了新的可能性。 1998 年，先进技术中心（莫斯科）创建了 FemtoScan-001 扫描探针显微镜模型，该中心也通过互联网进行控制。 现在，在世界任何地方，研究人员都可以在显微镜上工作，任何想要这样做的人都可以在不离开计算机的情况下“观察”微观世界。 今天，这种显微镜仅用于科学研究。 在他们的帮助下，遗传学和医学领域最轰动的发现被创造出来，具有惊人特性的材料被创造出来。 然而，预计在不久的将来会取得突破，主要是在医学和微电子领域。 微型机器人将出现，通过血管将药物直接输送到患病器官，微型超级计算机将被创造出来。 作者：Musskiy S.A.
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