Когда Ричард Фейнман выступал со своей знаменитой лекцией «Внизу полным-полно места», он призывал создать сверхсильные микроскопы, которые позволили бы ученым заглянуть в мир атомов. И физики услышали этот призыв и откликнулись на него.

Самые лучшие оптические микроскопы увеличивают в тысячу раз, давая возможность увидеть детали размером около двадцати пяти десятитысячных миллиметра. Когда появились электронные микроскопы, увеличивающие в два миллиона раз, стало возможным видеть группы молекул и атомов. Однако и этого увеличения оказалось недостаточно. Для нанотехнологий требовался микроскоп, позволявший видеть отдельные атомы.

Ученые пришли к выводу, что микроскоп может использовать и иной принцип: не увеличивать объект, а изучать как бы ощупывая его поверхность. Действительно, ведь даже с закрытыми глазами, ощупывая предмет, можно представить его размеры, форму, характер поверхности. Именно на этом принципе и работает сканирующий туннельный микроскоп.

Он был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. Год спустя было получено первое изображение. Но удивительно, в это никто не хотел верить. Статью о новом микроскопе ни один журнал не пожелал печатать.

Прошло немало времени, пока сканирующий туннельный микроскоп, сокращенно СТМ, наконец оценили по достоинству, а его создатели стали лауреатами Нобелевской премии. Только после появления этого замечательного прибора началось стремительное развитие нанотехнологий. Как же устроен этот микроскоп?

Его рабочим органом служит необычайно острый (с кончиком толщиной всего в несколько атомов) зонд в виде иглы, чаще всего из металла вольфрама. Он подводится к осматриваемой поверхности на расстояние около половины нанометра. Если на зонд подать постоянное напряжение, то возникнет так называемый туннельный эффект, истечение электронов с острия к поверхности. Зонд медленно перемещают. Когда попадается возвышенность, зазор между острием и поверхностью уменьшается, а туннельный ток увеличивается. Если попадется углубление, зазор увеличивается, а ток, напротив, уменьшается.

Зонд сканирующего туннельного микроскопа над слоем атомов

Все изменения величины тока воспринимаются компьютером, с которым соединен микроскоп, и на экране дисплея можно увидеть ощупываемую поверхность со всеми ее характерными деталями. Чувствительность микроскопа колоссальна. Например, при уменьшении зазора между зондом и образцом всего на одну десятую нанометра туннельный ток увеличивается раз в десять. Отсюда и поразительная зоркость СТМ, способного ощутить даже отдельный атом.

На этом рисунке можно увидеть, как устроен сканирующий туннельный микроскоп: 1 – исследуемая поверхность; 2 – зонд; 3 – датчик положения зонда; 4 – компьютер

Так выглядит СТМ

Устройство атомно-силового микроскопа: 1 – исследуемая поверхность; 2 – зонд; 3 – лазер; 4 – фотодиод

К сожалению, сканирующий туннельный микроскоп применим лишь для изучения материалов, которые хорошо проводят электрический ток. Для токонепроводящих нужен другой микроскоп. Он был создан тоже в Швейцарии, в Цюрихе, микроскоп под названием «атомно-силовой», или сокращенно АСМ.

Для него разницы в материалах нет. Происходит это потому, что в микроскопе используется не туннельный ток, а силы, возникающие между атомами изучаемой поверхности и зонда. По зоркости этот микроскоп не уступает туннельному и вдобавок универсален.

Сегодня существует несколько разновидностей сканирующих микроскопов. А так как в них заложена одна и та же идея ощупывания, сканирования поверхности острым зондом, их объединили под общим названием – сканирующие зондовые микроскопы, сокращенно СЗМ.