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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
스캐닝 프로브 현미경. 발명과 생산의 역사
표면 특성 연구에서 가장 젊고 동시에 유망한 방향은 스캐닝 프로브 현미경입니다. 프로브 현미경의 해상도는 0,1nm 미만입니다. 그들은 표면과 그것을 스캔하는 미세한 팁(프로브) 사이의 상호 작용을 측정하고 컴퓨터 화면에 XNUMX차원 이미지를 표시할 수 있습니다.
프로브 현미경 검사법을 사용하면 원자와 분자를 볼 수 있을 뿐만 아니라 영향을 줄 수도 있습니다. 이 경우 특히 중요한 것은 물체가 반드시 진공(전자현미경에 일반적임)이 아니라 다양한 기체 및 액체에서 연구될 수 있다는 것입니다. 프로브 스캐닝 터널링 현미경은 IBM Research Center의 직원인 G. Binning과 H. Rohrer(미국)에 의해 1981년에 발명되었습니다. XNUMX년 후 그들은 이 발명으로 노벨상을 수상했습니다. Binning과 Rohrer는 10nm보다 작은 표면적을 연구하기 위한 장치를 설계하려고 시도했습니다. 결과는 가장 거친 기대를 뛰어 넘었습니다. 과학자들은 크기가 약 XNUMX 나노미터에 불과한 개별 원자를 볼 수 있었습니다. 주사 터널링 현미경의 작동은 터널링 효과라는 양자 역학 현상을 기반으로 합니다. 음전하를 띤 프로브인 매우 얇은 금속 팁이 양전하를 띤 금속인 샘플에 가까운 거리로 이동합니다. 그 순간, 그들 사이의 거리가 여러 원자 간 거리에 도달하면 전자가 자유롭게 통과하기 시작합니다 - "터널": 전류가 틈을 통해 흐를 것입니다. 팁과 샘플 표면 사이의 거리에 대한 터널링 전류 강도의 강한 의존성은 현미경 작동에 매우 중요합니다. 간격이 0,1nm만 줄어들면 전류는 약 10배 증가합니다. 따라서 원자의 크기가 불규칙하더라도 전류 크기에 눈에 띄는 변동이 발생합니다.
이미지를 얻기 위해 프로브는 표면을 스캔하고 전자 시스템은 전류를 읽습니다. 이 값이 어떻게 변경되는지에 따라 팁이 떨어지거나 올라갑니다. 따라서 시스템은 현재 상수의 값을 유지하고 팁의 이동 궤적은 표면의 기복을 따라 언덕과 움푹 들어간 곳 주위로 구부러집니다. 팁은 전압의 영향으로 변할 수 있는 재료로 만들어진 조작기인 압전 스캐너를 움직입니다. 피에조 스캐너는 가장 자주 늘어나거나 구부러지는 여러 전극이 있는 튜브 형태를 취하여 XNUMX/XNUMX 나노미터의 정확도로 프로브를 다른 방향으로 움직입니다. 팁의 움직임에 대한 정보는 표면의 이미지로 변환되어 화면에 XNUMX점씩 구축됩니다. 명확성을 위해 높이가 다른 섹션은 다른 색상으로 칠해집니다. 이상적으로는 프로브 팁 끝에 하나의 부동 원자가 있어야 합니다. 바늘 끝에 여러 개의 돌기가 있는 경우 이미지가 XNUMX배 또는 XNUMX배가 될 수 있습니다. 결함을 제거하기 위해 바늘을 산으로 에칭하여 원하는 모양을 만듭니다. 터널링 현미경의 도움으로 많은 발견이 이루어졌습니다. 예를 들어, 그들은 결정 표면의 원자가 내부와 다르게 배열되어 종종 복잡한 구조를 형성한다는 것을 발견했습니다. 터널링 현미경의 도움으로 전도성 물체만 연구할 수 있습니다. 그러나 그것은 또한 전도성 물질의 표면에 놓일 때 박막 형태의 얇은 유전체를 관찰하는 것을 가능하게 합니다. 그리고 이 효과는 아직 완전히 설명되지 않았지만 그럼에도 불구하고 단백질, 바이러스와 같은 많은 유기 필름 및 생물학적 개체를 연구하는 데 성공적으로 사용되었습니다. 현미경의 가능성은 대단합니다. 현미경 바늘의 도움으로 도면은 금속판에도 적용됩니다. 이를 위해 별도의 원자가 "쓰기"재료로 사용됩니다. 표면에 증착되거나 제거됩니다. 따라서 1991 년 IBM 직원은 회사 이름 인 IBM으로 니켈 판 표면에 크세논 원자를 썼습니다. 문자 "I"는 9개의 원자로 구성되었으며 문자 "B"와 "M"은 각각 13개의 원자로 구성되었습니다. 스캐닝 프로브 현미경 개발의 다음 단계는 Binning, Kveit 및 Gerber에 의해 1986년에 이루어졌습니다. 그들은 원자력 현미경을 만들었습니다. 터널링 현미경에서 프로브와 샘플 사이의 거리에 대한 터널링 전류의 급격한 의존성에 의해 결정적인 역할이 수행되는 경우, 원자간력 현미경의 경우 물체 사이의 거리에 대한 상호 작용력의 의존성은 다음과 같습니다. 결정적인 중요성. 원자력 현미경의 프로브는 소형 탄성 판인 캔틸레버입니다. 또한 한쪽 끝은 고정되어 있고 다른 쪽 끝에는 실리콘 또는 질화규소와 같은 고체 재료로 프로빙 팁이 형성되어 있습니다. 프로브가 움직이면 프로브의 원자와 샘플의 고르지 않은 표면 사이의 상호 작용력으로 인해 플레이트가 구부러집니다. 이러한 프로브의 이동을 달성함으로써 편향이 일정하게 유지될 때 표면 프로파일의 이미지를 얻을 수 있습니다. 접촉 모드라고 하는 이 현미경의 작동 모드를 사용하면 나노미터 단위의 분해능으로 릴리프뿐만 아니라 연구 대상 물체의 마찰력, 탄성 및 점도를 측정할 수 있습니다. 샘플과 접촉하여 스캔하면 샘플이 변형 및 파손되는 경우가 많습니다. 프로브가 표면에 미치는 영향은 예를 들어 미세 회로 제조에 유용할 수 있습니다. 그러나 프로브는 얇은 폴리머 필름을 쉽게 깨뜨리거나 박테리아를 손상시켜 죽게 할 수 있습니다. 이를 피하기 위해 캔틸레버가 표면 근처에서 공진 진동을 일으키고 표면과의 상호 작용으로 인한 진동의 진폭, 주파수 또는 위상 변화가 기록됩니다. 이 방법을 사용하면 살아있는 미생물을 연구할 수 있습니다. 진동하는 바늘은 해를 입히지 않고 부드러운 마사지처럼 박테리아에 작용하여 움직임, 성장 및 분열을 관찰할 수 있습니다. 1987년에 I. Martin과 K. Vikrama-singh(미국)은 자기화된 미세바늘을 프로빙 팁으로 사용할 것을 제안했습니다. 그 결과는 자기력 현미경이었다. 이러한 현미경을 사용하면 최대 10nm 크기의 재료 영역(도메인)의 개별 자기 영역을 볼 수 있습니다. 또한 바늘과 영구자석의 자기장을 이용하여 필름 표면에 영역을 형성하여 정보의 초고밀도 기록에 사용됩니다. 이러한 기록은 현대의 자기 및 광 디스크보다 밀도가 수백 배 더 높습니다. IBM, Hitachi, Gillette, Polaroid, Olympus, Joyle, Digital Instruments와 같은 거대 기업이 운영하는 세계 미세 기계 시장에서도 러시아를 위한 자리가 있었습니다. 모스크바 근처 젤레노그라드에서 온 작은 회사 MDT의 목소리가 점점 더 크게 들립니다. 수석 기술자인 데니스 샤브라토프(Denis Shabratov)는 "사람 머리카락보다 10배 작은 접시에 우리의 먼 조상이 그린 암석 그림을 복사해 봅시다."라고 제안합니다. 아톰이 나타납니다. 점차적으로 디스플레이 화면에 사슴이 나타나고 라이더가 나타납니다." MDT는 국내 유일의 프로브 현미경 및 프로브 제조업체입니다. 그녀는 세계 XNUMX대 지도자 중 한 명입니다. 회사 제품은 미국, 일본, 유럽에서 구입합니다. 그리고 위기에 처한 Zelenograd 연구소 중 한 곳의 젊은 엔지니어인 Denis Shabratov와 Arkady Gologanov가 어떻게 살아야 할지 고민하다가 미세 역학을 선택했다는 사실에서 모든 것이 시작되었습니다. 그들은 이유없이 그것이 가장 유망한 방향이라고 생각했습니다. Gologanov는 "강력한 경쟁자들과 경쟁해야 할 컴플렉스가 없었습니다. 물론 우리 장비는 수입 장비보다 열등하지만 한편으로는 교활하고 두뇌를 사용하게 만듭니다."라고 회상합니다. 그들은 확실히 우리에게 더 나쁘지 않습니다. 충분한 것 이상을 쟁기질하는 것입니다. 우리는 XNUMX시간 내내 일했습니다. 우리는 일주일에 XNUMX일을 보냈습니다. 가장 어려운 것은 초소형 탐사선을 만드는 것조차 아니라 그것을 파는 것이었습니다. 우리는 우리가 최고라는 것을 압니다. 세상에서 우리는 인터넷에서 그것에 대해 소리치고, 팩스로 고객에게 폭격을 가하고, 한마디로 말하면 우리는 개구리처럼 다리를 때립니다. 관심이 없습니다." 현미경 생산의 선두 주자 중 하나인 일본 Joyle이 매우 복잡한 모양의 바늘을 찾고 있다는 것을 알게 된 그들은 이것이 기회라는 것을 깨달았습니다. 명령은 많은 힘과 신경을 요했지만 적은 돈을 받았습니다. 그러나 돈이 가장 중요한 것은 아니었습니다. 이제 그들은 자신의 목소리를 최대한으로 주장할 수 있었습니다. 그 유명한 "Joyle"은 우리의 고객입니다. 마찬가지로 거의 XNUMX년 반 동안 MDT는 미국 국립 표준 기술 연구소(National Institute of Standards and Technology)를 위한 특수 프로브를 무료로 제작했습니다. 그리고 클라이언트 목록에 새로운 큰 이름이 나타났습니다. "이제 주문의 흐름이 더 이상 모든 사람을 만족시킬 수 없을 정도입니다."라고 Shabratov는 말합니다. 공급 중단, 낮은 품질, 하청업체의 의무 없음". 스캐닝 프로브 현미경의 출현은 컴퓨터 기술의 급속한 발전의 시작과 성공적으로 일치하여 프로브 현미경을 사용할 수 있는 새로운 가능성을 열었습니다. 1998년에 FemtoScan-001 스캐닝 프로브 현미경 모델이 첨단 기술 센터(모스크바)에서 만들어졌으며 이 또한 인터넷을 통해 제어됩니다. 이제 전 세계 어디에서나 연구원은 현미경으로 작업할 수 있으며 원하는 사람은 누구나 컴퓨터를 떠나지 않고도 소우주를 "볼" 수 있습니다. 오늘날 이러한 현미경은 과학 연구에만 사용됩니다. 그들의 도움으로 유전 및 의학에서 가장 놀라운 발견이 이루어지고 놀라운 특성을 가진 재료가 만들어집니다. 그러나 가까운 장래에 주로 의학 및 마이크로일렉트로닉스 분야에서 획기적인 발전이 예상됩니다. 혈관을 통해 질병에 걸린 장기에 직접 약을 전달하는 마이크로 로봇이 등장하고 소형 슈퍼컴퓨터가 만들어질 것입니다. 저자: Musskiy S.A.
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