Нобелевский лауреат Ричард Фейнман в 1959 г. «подогрел» интерес к наномиру, написав: «Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами». Реа¬лизация этих великих предположений стала возможной благодаря методу и приборам сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), включающих сканирующую туннельную (СТМ) и атомно-силовую микроскопию (АСМ), позволяющих увидеть атомы, получить пространственное (трехмерное) изображение их расположения на поверхности и даже перемещать их.
В 1981 г. журнал «Applied Physics Letters» опубликовал идею о технической возможности визуализации атомов, молекул и их структурных объединений с характерным размером менее одной миллиардной доли миллиметра (нанометра). Она была воплощена в жизнь в 1982 г., когда был создан первый сканирующий туннельный микроскоп, принцип работы которого основывался на туннелировании электронов через нанозазор между острием зонда и образцом. Авторы этого гениального изобретения Герд Биннинг и Генрих Рорер — сотрудники исследовательской лаборатории корпорации IBM в Базеле — уже через 4 года после своего открытия были удостоены Нобелевской премии. Им удалось объединить понимание туннельного эффекта, создание сверхточного пьезодвигателя и компьютерную программу, подобную той, которая управляет движением крылатых ракет. Свое великое детище они впервые продемонстрировали, визуализировав процесс реконструкции поверхности кремния на атомарном уровне. В 1986 г. появился атомно-силовой микроскоп, который был пригоден для наблюдения поверхностей материалов, не обладающих электропроводными свойствами, поскольку регистрировал силовое взаимодействие острия с образцом. Практически с момента появления СЗМ в научной, а затем и в популярной литературе стали публиковаться надписи и рисунки, «выложенные» из отдельных атомов с помощью острия СТМ, которые продемонстрировали возможность использования зондовых микроскопов как инструмента для наносборок по принципу «снизу вверх», провозглашенному знаменитым физиком Эриком Дрекслером. Однако следует заметить, что производительность таких устройств пока настолько низка, что они не могут рассматриваться всерьез как машины для создания практически значимой продукции.
Можно перечислить целый ряд достижений ученых и инженеров, которые в той или иной мере обеспечили научные и технические основы новых приборов. В 1899 г. Роберт Вильямс Вуд описал туннельный эффект. В 1905 г. Альберт Эйнштейн в одной из своих публикаций показал, что размер молекулы сахара — около 1 нм. В 1928 г. Георгий Гамов создал основы теории туннельного переноса зарядов. В 1966 г. Рассел Янг предложил идею пьезодвигателей, обеспечивающих позиционирование с точностью до 0,1 ангстрема. В 1968 г. Альфред Чо и Джон Артур разработали теоретические основы нанотехнологии обработки поверхностей. Созданы теории контактного взаимодействия сферических тел с учетом поверхностных сил — Джонсона — Кенделла — Робертса (1971), Дерягина — Муллера — Топорова (1975). В 1986 г. Эрик Дрекслер опубликовал книгу «Машины созидания: пришествие эры нанотехнологий». В 70-е гг. прошлого столетия полетели первые низковысотные крылатые ракеты с компьютерным наведением на цели, учитывающим рельеф земной поверхности.
Этот далеко не полный перечень достижений ученых, которые в совокупности с современным уровнем элементной базы электроники и компьютерной техники послужили созданию и становлению СЗМ как нового метода анализа поверхности и наноструктур и последовавшего за этим ускоренного развития нанонауки и нанотехнологий.
Широкая востребованность СЗМ обусловлена следующими факторами: высоким, вплоть до атомарного, пространственным разрешением изображения поверхности; комплексностью и доступностью интерпретации получаемой информации; использованием микрозонда СЗМ в качестве инструмента создания нанообъектов и манипулирования ими; широкими возможностями компьютерной визуализации и анализа результатов исследовательских и технологических работ.
Не без помощи СЗМ-методов были продемонстрированы возможности формирования и функционирования нанообъектов, способствующие пониманию того, что нанонаука и нанотехнологии по своему потенциалу сравнимы с кибернетикой, атомной энергетикой, биотехнологией, информатикой и космонавтикой. Правительства многих технологически развитых стран мира поддержали разработку специальных нанотехнологических программ. Япония уже в 1998 г. приняла государственную программу «Аstroboy» с бюджетом в 10 млн долл. США. Американская администрация в 2000 г. выделила 500 млн долл. на исследования в рамках программы «Национальная нанотехнологическая инициатива», а в 2004 г. поддержала «Наномедицинскую инициативу». Евросоюз для выполнения 7-й Рамочной программы в области нанотехнологий и наноматериалов на 2007—2010 гг. запланировал потратить 3,5 млрд евро.
Правительство Российской Федерации в 2006 г. одобрило концепцию федеральной целевой программы по нанотехнологиям и выделило на ее выполнение более 5 млрд долл., учредив специальную корпорацию «Роснанотех». В ее рамках формируются 4 научные нанозоны: в Москве, Санкт-Петербурге, Дубне и Томске; 36 университетов будут готовить ученых и специалистов данного профиля; в НИИ и вузах создаются 56 центров коллективного наноизмерительного и технологического оборудования. Всего в мире государ¬ства и корпорации ежегодно инвестируют в развитие нанонауки и нанотехнологий около 10 млрд долл. Ожидается, что через 10 лет в США появится новая отрасль экономики с оборотом более 2 трлн долл. и около 2 млн рабочих мест. Планируется, что объем продаж российской нанотехнологической продукции в 2015 г. составит около 30—40 млрд долл. США. Безусловно, нагрянувший финансово-экономический кризис внесет свои коррективы в этот процесс — он может как замедлить, так и ускорить его в связи с необходимостью снижения материало- и энергоемкости производств.
Сканирующая зондовая микроскопия в Беларуси
Развитие новых научных направлений потребовало создания нового класса диагностических и технологических приборов, способных работать на наноуровне. Возникла такая инновационная востребованность и в нашей стране, в частности в Институте механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси для экспериментального подтверждения новой модели контакта с учетом микро- и наношероховатости поверхностей твердых тел [2], развитой в монографии — первой в мировой практике публикации в области механики нанотрибологического контакта [3]. Проявился интерес к «задачам наноуровня» и в БГУ, и в Объединенном институте физики твердого тела и полупроводников НАН Беларуси. В отдел трибологии ИММС и лабораторию атомно-молекулярной инженерии БГУ в 1987 г. приобрели первые сканирующие туннельные микроскопы советского производства. Но они были несовершенны, а западные очень дороги. В ИММС возникла идея разработки белорусских зондовых приборов. И в 1994 г. появился первый опытно-промышленный образец отечественного сканирующего атомно-силового микроскопа модели «Нанотоп» [5]. Опыт оказался удачным. Ныне сканирующие зондовые микроскопы разрабатывают и изготавливают в кооперации лаборатория нанопроцессов и нанотехнологий Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси и ОДО «Микротестмашины». В развитии метода и производстве оборудования СЗМ участвуют также отечественные НПО «Планар» и «Интеграл», НПРУП «ЛЭМТ» и «Элкерм», НИИ радиоматериалов, Белорусский государственный институт метрологии.
С 1996 г. регулярно проводится Белорусский методологический семинар по сканирующей зондовой микроскопии, который собирает участников из многих стран — России, Украины, США, Германии, Японии, Польши, КНР, Южной Кореи, Дании, Словакии, Вьетнама. Как показывает анализ отечественных «нанотехнологических» публикаций (их 100—200 в год), СЗМ наиболее активно применяется в материаловедении, электронике, физике и химии тонких пленок, цитологии и трибологии, в проектировании микро- и наноэлектромеханических систем. Например, применительно к исследованию материалов в виде блоков и покрытий зондовая микроскопия позволяет увидеть и измерить на наноуровне топографию поверхностей, строить карты распределения локальных механических и триботехнических свойств, осуществлять силовую спектроскопию поверхности, изучать структуру нанокомпозитов, оптимизировать технологические параметры изготовления нанообъектов, решать многие другие задачи и даже апробировать некоторые нанотехнологические операции [5—8].
Развитию нанонауки и нанотехнологии в Беларуси, в том числе и СЗМ-техники, способствует государственная поддержка через программы «Наноматериалы и нанотехнологии», «Материалы в технике», «Научные приборы» и др.
Сегодня в республике используются десятки приборов серий «Нанотоп» и «Нанотестер» отечественного производства, реализующих методики СЗМ. Метод внедрен во многих лабораториях институтов НАН Беларуси, в вузах, в заводских лабораториях НПО «Интеграл», ПО «Белкард». Наши приборы поставлялись и за рубеж — в Россию, Украину, Казахстан, Азербайджан, Польшу, Литву, Словению, Румынию, Францию, Китай, Индию, Южную Корею, Саудовскую Аравию.
Современные тенденции к совершен¬ствованию методов контроля в нанометровом масштабе требуют адаптации СЗМ-оборудования в зависимости от областей приложения. НПО «Планар» в сотрудничестве с ИТМО НАН Беларуси и ОДО «Микротестмашины» разрабатывают диагностический комплекс, совмещающий самые передовые методики оптической микроскопии и функции сканирующей зондовой микроскопии для измерений субмикронных элементов в электронике. Комплекс позволит работать с кремниевыми пластинами диаметром 200 мм и будет включать их автоматический загрузчик.
Для изучения биологических объектов ИТМО НАН Беларуси совместно с НПРУП «ЛЭМТ» создали в рамках ГНТП «Научные приборы» экспериментальный комплекс с функциями сканирующей зондовой и оптической микроскопии. Входящая в его комплектацию специализированная оптическая система дает возможность визуализировать биологические клетки, осуществлять их выбор для анализа и позиционирование зонда в микромасштабе, включая работу в жидкостной ячейке.
В кооперации Института физики и ИТМО НАН Беларуси завершается работа над первым отечественным сканирующим ближнеполевым оптическим микроскопом, в ходе которой была создана модификация АСМ, на базе камертонного датчика, реализующая сканирование в динамическом режиме латеральных сил.
Успешно проводится комплекс исследований специалистами БГУИР и НПО «Интеграл» по разработке зондов АСМ с использованием планарных технологий. Проводятся изыскания по совершенствованию АСМ-зондов, включая модифицирование кремниевых острий коммерческих зондов единичной нанотрубкой и моделирование численными методами молекулярной динамики процессов их контактирования с образцом. Кроме того, идут работы по созданию острий зондов на базе природных и синтетических алмазов.
Следует отметить, что из стран Восточной Европы только в России и Беларуси организовано серийное производство столь наукоемкой продукции, как сканирующие зондовые микроскопы.