Усовершенствование кончика туннельного микроскопа, предотвращающего его повреждение сканируемой поверхностью

8 февраля 2018



Усовершенствование кончика туннельного микроскопа, предотвращающего его повреждение сканируемой поверхностью

Сотрудники Техасского университета в Далласе полагают, что они обратились к давней проблеме, беспокоящей ученых и инженеров уже более 35 лет: как избежать опрокидывания кончика сканирующего туннельного микроскопа на поверхности материала во время его визуализации или литографии.

Подробная информация о разработке группы появилась в январском выпуске журнала Американского института физики Review of Scientific Instruments (Обзор научных приборов).

Сканирующие туннельные микроскопы (СТМ) работают в сверхвысоком вакууме, доводя свой зонд со сверхтонким кончиком, заканчивающимся на вершине единственным атомом почти до самой поверхности образца. Когда напряжение накладывается на поверхность, электроны могут прыгать или туннелировать через зазор между наконечником и образцом.

«Представьте, что это игла, очень острая игла, атомарно острая», — сказал Фарид Таджиддодианфар, аспирант Школы инженеров и компьютерных наук Эрика Джонсона по специальности машиностроение. «Микроскоп похож на роботизированную руку, способную достигать атомов на поверхности образца и манипулировать ими».

Проблема заключается в том, что вольфрамовый наконечник иногда задевает за образец, в этом случае (при физическом контакте с поверхностью образца), он может переставить атомы или создать «кратер», что может повредить образец. Такое «крушение наконечника» часто заставляет операторов многократно его менять, теряя ценное время.

Д-р Джон Рэндалл является адъюнкт-профессором Техасского университета в Далласе и президентом нанотехнологической компании, специализирующейся на разработке инструментов и продуктов, Zyvex Labs (компания базируется в Ричардсоне, штат Техас). Компания Зивекс обратилась за помощью в решении проблемы аварийных сбоев СТМ к доктору Резе Мохаймани, профессору машиностроения. «То, что они пытаются сделать, — это помочь воплотить в жизнь атомарно точное производство», — сказал Рэндалл. «Это считается будущим нанотехнологий, и это архиважная работа». Рэндалл сказал, что столь точное производство приведет к множеству инноваций.

«Создавая структуры атом за атомом, вы можете создавать новые, необычные материалы», — сказал Рэндалл, который является сопредседателем Комитета по привлечению промышленности школы Йонссон. «Мы можем удалить примеси и сделать материалы более прочными и более термостойкими. Мы можем построить квантовые компьютеры, что может радикально снизить затраты и расширить возможности в медицине и других областях. Например, если мы сможем лучше понять ДНК на атомном и молекулярном уровне. Возможности бесконечны ». В дополнении к сказанному, инженер-контролер и специалист в области нанотехнологий Мохаймани сказал, что ученые пытаются построить транзисторы и квантовые компьютеры из одного атома с использованием этой же технологии.

Рэндалл сказал, что Zyvex Labs потратила много времени и денег, пытаясь понять, что происходит с наконечниками, когда они падают. «Если вы не можете защитить наконечник, вы ничего не сможете построить, вы просто тратите свое время».

Таджидадоанфар и Мохаймани сказали, что проблемой является контролер. «В STM есть контроллер обратной связи, который измеряет ток и перемещает иглу вверх и вниз», — сказал Мохаймани. «Вы перемещаетесь от одного атома к другому, по неровной поверхности, она не плоская, из-за этого изменяется расстояние между образцом и наконечником, равно как и ток между ними. Хотя контроллер пытается переместить наконечник вверх и вниз, чтобы поддерживать ток, он не всегда успевает среагировать и правильно отрегулировать положение наконечника. Результирующие движения наконечника часто нестабильны ». Это контроллер обратной связи, который не может защитить наконечник от врезания в поверхность, сказал Таджиддодианфар. «Когда электронные свойства изменяются вдоль поверхности образца, наконечник более подвержен краху в обычных системах управления», — сказал он. «Он должен быть действительно очень острым. Но когда кончик падает в образец, он ломается, закручивается кзади и сглаживается. «Как только наконечник врезается в поверхность, забудьте об этом. Все меняется». Чтобы решить данную проблему, команда исследователей обратилась к физике. Они обнаружили способ измерить высоту потенциального барьера и регулировать усиление на панели управления, таким образом, предотвратив попадание наконечника на поверхность исследуемого материала.