Растровий тунельний мікроскоп: революція в нанотехнологіях

Растровий тунельний мікроскоп (англійською Scanning Tunneling Microscope, скорочено STM) є одним із ключових інструментів сучасної нанонауки, оскільки надає змогу досліджувати та навіть маніпулювати матеріалами на рівні окремих атомів. Винахід цього приладу у 1981 році належить Ґерду Бінніґу (народився 1947) та Генріху Рореру (1933–2013), які на той час працювали в дослідницьких лабораторіях IBM у Цюриху. Їхній пристрій започаткував нову еру у вивченні поверхонь твердих тіл і фактично поклав початок цілій низці методів, що нині відомі як сканувальна зондова мікроскопія. На сьогодні STM є незамінним інструментом для вчених, які досліджують наноструктури, розробляють нові матеріали і прагнуть зрозуміти властивості речовини на фундаментальному рівні.

Генріх Рорер (1933–2013), Ґерд Бінніґ (народився 1947)

У 1986 році Ґерд Бінніґ та Генріх Рорер отримали Нобелівську премію з фізики за розробку свого інноваційного мікроскопа. Це була заслужена відзнака, адже їхній метод розширив наше розуміння квантових ефектів на поверхнях і фактично «відкрив очі» на атомарний світ, який доти залишався недосяжним для безпосереднього вивчення. Як зазначено у статті Binnig, G. & Rohrer, H. (1986). Scanning tunneling microscopy. IBM Journal of Research and Development, 30(4), 355–369, поява STM стала справжнім технологічним проривом, адже вдалося поєднати надзвичайну просторову роздільну здатність та можливість детально аналізувати електронну структуру поверхні.

Історичний контекст створення STM

У 1970–1980-х роках багато науковців були зацікавлені в тому, як саме поводяться атоми й електрони на поверхні твердих тіл. Традиційні методи, такі як електронна мікроскопія високої роздільної здатності, хоч і дозволяли побачити структуру на нанометровому масштабі, проте не давали змоги безпосередньо «промацувати» рельєф із надзвичайно високою точністю. Одним із ключових факторів, що стримували розвиток таких досліджень, була відсутність приладу, який би міг розрізняти зміни рельєфу на рівні окремих атомів і водночас вимірювати локальну електронну густину станів.

Зацікавлення з боку корпорації IBM було не випадковим: на початку 1980-х років компанія активно шукала можливості створювати все менші й менші електронні пристрої. Тому розуміння процесів, що відбуваються на атомарному рівні, ставало надзвичайно важливим для розвитку мікроелектроніки та напівпровідникової промисловості. У цей період Ґерд Бінніґ, молодий фізик, і Генріх Рорер, більш досвідчений науковець, об’єднали свої ідеї, щоб дослідити квантове тунелювання струму у дуже малих зазорах. Спочатку їхню концепцію зустрічали з певним скепсисом, адже явище тунелювання було дуже слабким і важким для реєстрації. Проте невдовзі вони зуміли збудувати перший прототип STM, з яким змогли показати, що квантові ефекти можна використовувати для отримання зображень із досі небаченою точністю.

Публікації того періоду, зокрема у вищезгаданому IBM Journal of Research and Development, описують перші експерименти, у яких дослідники чітко побачили особливості поверхні металічного зразка, зумовлені розташуванням атомів. Це стало сенсацією в академічній спільноті, відкривши перспективу не просто бачити атоми, а й досліджувати їхні електронні властивості завдяки вимірюванню тунельного струму.

Тунельний мікроскоп: принцип роботи та квантове тунелювання

Основою роботи растрового тунельного мікроскопа є квантове тунелювання електронів через дуже вузький зазор між тонкою голкою (зондом) і поверхнею зразка. У класичній фізиці існує поняття потенційного бар’єра, який електрони не можуть подолати, якщо не володіють енергією, достатньою для перевищення цього бар’єра. Проте у квантовій механіці існує ефект тунелювання, який дає змогу частинкам (зокрема електронам) з певною ймовірністю «проходити» через бар’єр, хоч би яким би високим він не здавався.

У практичному застосуванні STM цей квантовий феномен реалізується так: між зондом і поверхнею створюється незначний зазор (зазвичай кілька ангстрем, де 1 Å = 10⁻¹⁰ м), а також прикладається невелика напруга. Завдяки цьому виникає так званий тунельний струм, позначимо його I. При фіксованій напрузі його величина залежить від відстані d між вістрям голки та поверхнею приблизно за експоненційним законом:

I ∝ e^(−2κd)

де κ – це величина, що пов’язана з роботою виходу електронів із матеріалу та характеризує, наскільки швидко згасає хвильова функція електрона в бар’єрі. Змінюючи положення зонда в напрямку вертикалі, можна утримувати струм на постійному рівні. Якщо зонд підходить ближче до атома, тунельний струм збільшується, і навпаки. Завдяки цьому мікроскоп здатний «сканувати» поверхню, зчитуючи мікроскопічні зміни рельєфу з атомарною точністю.

Конструктивні особливості та режим роботи

У конструкції растрового тунельного мікроскопа одним із ключових компонентів є п’єзоелектричні приводи, які дають змогу управляти положенням голки вздовж осей X, Y та Z з надзвичайно високою точністю. Завдяки п’єзоелектричним матеріалам, які змінюють свої розміри під дією напруги, можна досягти просторової роздільної здатності на рівні 0,01 нанометра, що відповідає відстані між атомами в багатьох кристалічних матеріалах.

Схема роботи сканувального тунельного мікроскопа

Сам мікроскоп зазвичай монтується на спеціальних антивібраційних платформах або навіть поміщається в ізольовані кімнати, щоб мінімізувати будь-які коливання, спричинені, наприклад, рухом транспорту, човганням підлогою чи роботою інших приладів. Найменша механічна вібрація здатна змінити положення зонда відносно поверхні та спотворити картинку на атомному масштабі. Тому вимоги до стабілізації є надзвичайно жорсткими.

Режим роботи, як правило, поділяється на два основні підходи. У першому – так званому режимі постійної висоти – зонд рухається над поверхнею без зміни відстані. Тунельний струм тоді змінюється залежно від топографії. Цей метод дає швидший відгук, але потребує ідеально рівної поверхні та дуже стабільних умов. У другому підході – режимі постійного струму – відстань змінюється так, щоб підтримувати сталий тунельний струм, і саме за зміною відстані визначають рельєф. Цей режим є більш поширеним, оскільки легше утримувати сталі параметри струму, ніж стабілізувати надвисоку точність відстані.

Режим роботи тунельного мікроскопа

Існують також низькотемпературні моделі растрових тунельних мікроскопів, які працюють при температурах у діапазоні від 4 K (−269 °C) і нижче. Це надає змогу мінімізувати тепловий рух атомів, що особливо корисно при дослідженні явищ надпровідності чи вивченні квантових ефектів. У деяких розробках створюють спеціальні камерні середовища, де підтримується високий вакуум, аби уникнути впливу адсорбції газів на чутливі поверхні зразків.

Основні застосування STM

Растровий тунельний мікроскоп відкрив широкі можливості в дослідженнях нанорозмірних об’єктів. Його перше, очевидне застосування – це детальне вивчення топографії поверхні з атомарною роздільністю. Завдяки STM дослідники можуть точно визначати, де знаходяться окремі атоми, як вони розташовуються у кристалічній решітці чи в молекулярних структурах, а також як змінюється їхнє розташування під час різноманітних хімічних реакцій або під дією зовнішніх впливів (наприклад, електричного поля).

Дуже важливим досягненням стало те, що в певних умовах за допомогою тунельного мікроскопа можна не лише сканувати поверхню, а й маніпулювати розташуванням атомів. У 1990-х роках у лабораторіях IBM провели експеримент, коли окремі атоми ксенону акуратно переміщували на поверхні нікелю, створюючи напис «IBM». Цей експеримент став хрестоматійним прикладом того, як із суто дослідницького інструмента STM перетворюється на інструмент «атомарного конструювання», закладаючи підвалини нанотехнологій.

Загалом сфери застосування досить різноманітні. Напівпровідникова промисловість цікавиться STM, щоб створювати високотехнологічні пристрої з меншою споживаною потужністю та вищою швидкістю роботи. У галузі матеріалознавства та фізики конденсованих середовищ за допомогою STM вивчають надпровідники, магнітні домени, двовимірні матеріали (графен, моносульфідні плівки тощо). Хіміки використовують цей прилад для аналізу каталізаторів або синтетичних поверхонь, на яких відбуваються хімічні реакції. Біологи пробують застосовувати модифіковані версії STM для досліджень біомолекул, хоча в цій галузі частіше застосовують атомно-силову мікроскопію (AFM), що є «родичем» STM у сфері сканувальної зондової мікроскопії.

Переваги та обмеження

Растровий тунельний мікроскоп має беззаперечну перевагу – це здатність бачити та маніпулювати окремими атомами. До появи STM таке було неможливо, тож він став першим приладом, що забезпечив атомарну роздільну здатність у реальному просторі. Крім того, тунельний струм є дуже чутливим до локальної електронної структури: вимірюючи його за різних напруг на зразку, можна отримувати спектроскопічну інформацію, яка доповнює звичайну топографію. Таким чином, дослідники здатні не лише побачити, де саме розташовані атоми, а й отримати уявлення про енергетичні рівні електронів і локальну густину станів. Це важливо для розуміння, наприклад, механізмів надпровідності, різних фазових переходів або процесів електронного транспорту в наноструктурах.

Незважаючи на всі переваги, STM має і певні обмеження. Для нормальної роботи зразок зазвичай має бути провідним чи напівпровідниковим, адже струм тунелювання через ізолятор є або надто малим, або надто нестабільним для вимірювання. Додаткові ускладнення виникають у ситуаціях, коли поверхня вкрита молекулами води чи окису, бо це може істотно змінити розподіл електронів та відстань до реальної поверхні. Зрештою, будь-які вібрації або коливання (температурні чи механічні) з легкістю зіпсують результати, адже відстань між вістрям голки та атомами вимірюється ангстремами. До всього додається технічна складність: STM – це дорогий та технологічно складний прилад, який вимагає від оператора високої кваліфікації та ретельного налаштування експерименту.

Перспективи розвитку

Від часу винайдення цього приладу минуло понад чотири десятиліття, проте STM продовжує розвиватися. Науковці працюють над тим, щоб підвищити чутливість до електронних станів з більшою енергетичною роздільністю, а також розробляють багатофункціональні прилади, які можуть працювати за різних умов: у повітрі, у рідині, в екстремально низьких чи високих температурах. Використання STM разом із іншими методами, наприклад рентгенівською фотоелектронною спектроскопією (XPS) або атомно-силовою мікроскопією (AFM), відкриває нові можливості для комплексного аналізу матеріалів.

Інший перспективний напрям – це STM-літографія, яка дає змогу локально змінювати поверхню, фактично «рисуючи» наноструктури з висотою або глибиною в кілька атомів. Це може знайти застосування у виготовленні квантових точок або «квантових проводів», які лежать в основі інноваційних електронних пристроїв та можуть бути використані в квантових обчисленнях. У деяких дослідженнях уже вдалося таким чином створювати одновимірні ланцюжки атомів і вивчати їхню електронну поведінку. У майбутньому цей підхід може сприяти розробці нанотехнологій, які кардинально зменшать розміри електронних компонентів і збільшать їхню продуктивність.

Тому растровий тунельний мікроскоп залишається одним із найбільш перспективних інструментів у дослідженні наномасштабних структур. Його здатність візуалізувати та модифікувати атомарну поверхню практично немає аналогів. З кожним роком з’являються нові й нові варіації STM з покращеними характеристиками, а також нові методики обробки та аналізу даних, що дозволяють отримувати ще докладнішу та точнішу інформацію про будову й електронні властивості матеріалів.

Джерела:

1. Бінніґ Г., Рорер Г. Сканувальна тунельна мікроскопія // IBM Journal of Research and Development. 1986. Т. 30, № 4. С. 355–369.

2. Нобелівська премія з фізики 1986 року // NobelPrize.org. URL: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1986/summary/ (дата звернення: 08.02.2025).

3. Чен Ч. Дж. Вступ до сканувальної тунельної мікроскопії. Оксфорд: Oxford University Press, 2008.

4. Ґіссібл Ф. Дж. Досягнення в атомно-силовій мікроскопії // Reviews of Modern Physics. 2003. Т. 75, № 3. С. 949–983.