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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Rastersondenmikroskop. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Die jüngste und zugleich vielversprechende Richtung in der Untersuchung von Oberflächeneigenschaften ist die Rastersondenmikroskopie. Sondenmikroskope haben eine Rekordauflösung - weniger als 0,1 nm. Sie können die Wechselwirkung zwischen einer Oberfläche und einer mikroskopischen Spitze, die sie abtastet – einer Sonde – messen und ein dreidimensionales Bild auf einem Computerbildschirm anzeigen.
Sondenmikroskopische Verfahren erlauben es, Atome und Moleküle nicht nur zu sehen, sondern auch zu beeinflussen. Besonders wichtig ist dabei, dass Objekte nicht unbedingt im Vakuum (wie bei Elektronenmikroskopen üblich) untersucht werden können, sondern auch in verschiedenen Gasen und Flüssigkeiten. Das Sonden-Rastertunnelmikroskop wurde 1981 von G. Binning und H. Rohrer (USA), Mitarbeitern des IBM Research Center, erfunden. Fünf Jahre später erhielten sie für diese Erfindung den Nobelpreis. Binning und Rohrer versuchten, ein Gerät zur Untersuchung von Oberflächen kleiner als 10 nm zu entwickeln. Das Ergebnis übertraf die kühnsten Erwartungen: Wissenschaftler konnten einzelne Atome sehen, die nur etwa einen Nanometer groß sind. Der Betrieb eines Rastertunnelmikroskops basiert auf einem quantenmechanischen Phänomen, das als Tunneleffekt bezeichnet wird. Eine sehr dünne Metallspitze – eine negativ geladene Sonde – wird in die Nähe der Probe gebracht, ebenfalls aus Metall, positiv geladen. In diesem Moment, wenn der Abstand zwischen ihnen mehrere interatomare Abstände erreicht, beginnen die Elektronen, ihn frei zu passieren - "Tunnel": Ein Strom fließt durch die Lücke. Die starke Abhängigkeit der Tunnelstromstärke vom Abstand zwischen Spitze und Probenoberfläche ist sehr wichtig für den Betrieb des Mikroskops. Wenn der Abstand nur um 0,1 nm verringert wird, erhöht sich der Strom um etwa das 10-fache. Daher verursachen selbst Unregelmäßigkeiten von der Größe eines Atoms merkliche Schwankungen in der Stärke des Stroms.
Um ein Bild zu erhalten, tastet die Sonde die Oberfläche ab und das elektronische System liest den Strom. Je nachdem, wie sich dieser Wert verändert, sinkt oder steigt die Spitze. Somit hält das System den Wert des Stroms konstant, und die Bewegungsbahn der Spitze folgt dem Relief der Oberfläche und biegt sich um Hügel und Vertiefungen. Die Spitze bewegt einen Piezoscanner, einen Manipulator aus einem Material, das sich unter dem Einfluss einer elektrischen Spannung verändern kann. Ein Piezo-Scanner hat meistens die Form eines Rohrs mit mehreren Elektroden, das sich verlängert oder biegt und die Sonde mit einer Genauigkeit von Tausendstel Nanometern in verschiedene Richtungen bewegt. Informationen über die Bewegung der Spitze werden in ein Bild der Oberfläche umgewandelt, das Punkt für Punkt auf dem Bildschirm aufgebaut wird. Der Übersichtlichkeit halber sind Abschnitte unterschiedlicher Höhe in unterschiedlichen Farben gestrichen. Idealerweise sollte sich am Ende der Sondenspitze ein unbewegliches Atom befinden. Wenn am Ende der Nadel mehrere Vorsprünge vorhanden sind, kann sich das Bild verdoppeln oder verdreifachen. Um den Defekt zu beseitigen, wird die Nadel in Säure geätzt, wodurch sie die gewünschte Form erhält. Mit Hilfe eines Tunnelmikroskops wurden eine Reihe von Entdeckungen gemacht. Sie fanden beispielsweise heraus, dass Atome auf der Oberfläche eines Kristalls anders angeordnet sind als im Inneren und oft komplexe Strukturen bilden. Mit Hilfe eines Tunnelmikroskops können nur leitfähige Objekte untersucht werden. Es ermöglicht aber auch, dünne Dielektrika in Form eines Films zu beobachten, wenn sie auf die Oberfläche eines leitenden Materials aufgebracht werden. Und obwohl dieser Effekt noch nicht vollständig erklärt ist, wird er dennoch erfolgreich zur Untersuchung vieler organischer Filme und biologischer Objekte - Proteine, Viren - eingesetzt. Die Möglichkeiten des Mikroskops sind groß. Mit Hilfe einer Mikroskopnadel werden Zeichnungen sogar auf Metallplatten aufgebracht. Dazu werden einzelne Atome als "Schreibmaterial" verwendet - sie werden auf die Oberfläche aufgebracht oder von ihr entfernt. So schrieben IBM-Mitarbeiter 1991 Xenon-Atome auf die Oberfläche einer Nickelplatte mit dem Namen ihrer Firma – IBM. Der Buchstabe "I" bestand aus nur 9 Atomen und die Buchstaben "B" und "M" - jeweils 13 Atome. Der nächste Schritt in der Entwicklung der Rastersondenmikroskopie wurde 1986 von Binning, Kveit und Gerber unternommen. Sie schufen das Rasterkraftmikroskop. Spielt beim Tunnelmikroskop die starke Abhängigkeit des Tunnelstroms vom Abstand zwischen Sonde und Probe die entscheidende Rolle, so ist beim Rasterkraftmikroskop die Abhängigkeit der Wechselwirkungskraft von Körpern vom Abstand zwischen ihnen von entscheidender Bedeutung entscheidende Bedeutung. Die Sonde eines Rasterkraftmikroskops ist eine elastische Miniaturplatte - ein Cantilever. Außerdem ist eines seiner Enden fixiert, während am anderen Ende eine Sondenspitze aus einem festen Material – Silizium oder Siliziumnitrid – gebildet ist. Wenn die Sonde bewegt wird, biegen die Wechselwirkungskräfte zwischen ihren Atomen und der unebenen Oberfläche der Probe die Platte. Durch das Erreichen einer solchen Bewegung der Sonde ist es bei konstanter Auslenkung möglich, ein Bild des Oberflächenprofils zu erhalten. Diese als Kontaktmodus bezeichnete Betriebsart des Mikroskops ermöglicht es, mit einer Auflösung von Bruchteilen eines Nanometers nicht nur das Relief, sondern auch die Reibungskraft, Elastizität und Viskosität des Untersuchungsobjekts zu messen. Das Scannen in Kontakt mit der Probe führt nicht selten zu deren Verformung und Zerstörung. Der Aufprall der Sonde auf der Oberfläche kann beispielsweise bei der Herstellung von Mikroschaltkreisen nützlich sein. Die Sonde kann jedoch leicht den dünnen Polymerfilm brechen oder das Bakterium beschädigen, wodurch es stirbt. Um dies zu vermeiden, wird der Cantilever nahe der Oberfläche in Resonanzschwingung versetzt und die durch Wechselwirkung mit der Oberfläche verursachte Änderung der Amplitude, Frequenz oder Phase der Schwingungen aufgezeichnet. Diese Methode ermöglicht es, lebende Mikroben zu untersuchen: Eine oszillierende Nadel wirkt wie eine sanfte Massage auf ein Bakterium, ohne Schaden anzurichten, und lässt Sie seine Bewegung, sein Wachstum und seine Teilung beobachten. 1987 schlugen I. Martin und K. Vikrama-singh (USA) vor, eine magnetisierte Mikronadel als Sondierungsspitze zu verwenden. Das Ergebnis war ein Magnetkraftmikroskop. Ein solches Mikroskop ermöglicht es, einzelne magnetische Bereiche im Material – Domänen – bis zu einer Größe von 10 nm zu sehen. Es wird auch für die ultradichte Aufzeichnung von Informationen verwendet, indem mithilfe der Felder einer Nadel und eines Permanentmagneten Domänen auf der Filmoberfläche gebildet werden. Eine solche Aufzeichnung ist hundertmal dichter als auf modernen magnetischen und optischen Platten. Auf dem Weltmarkt der Mikromechanik, der von Giganten wie IBM, Hitachi, Gillette, Polaroid, Olympus, Joyle, Digital Instruments betrieben wird, gab es auch einen Platz für Russland. Immer lauter wird die Stimme der kleinen Firma MDT aus Selenograd bei Moskau. „Lassen Sie uns auf eine Platte kopieren, zehnmal kleiner als ein menschliches Haar, eine Felszeichnung unserer fernen Vorfahren“, schlägt Denis Shabratov, Cheftechnologe, vor Atom erscheint. Allmählich erscheint ein Reh auf dem Bildschirm, gefolgt von Reitern.“ MDT ist der einzige Hersteller von Sondenmikroskopen und Sonden im Land. Sie ist eine der vier führenden Persönlichkeiten der Welt. Die Produkte des Unternehmens werden in den USA, Japan und Europa gekauft. Und alles begann damit, dass Denis Shabratov und Arkady Gologanov, junge Ingenieure eines der in der Krise befindlichen Zelenograd-Institute, sich für die Mikromechanik entschieden und darüber nachdachten, wie sie weiterleben sollten. Sie hielten es nicht ohne Grund für die vielversprechendste Richtung. „Wir hatten keine Komplexe, mit denen wir uns mit starken Konkurrenten messen müssten“, erinnert sich Gologanov. „Natürlich ist unsere Ausrüstung den importierten unterlegen, aber andererseits zwingt sie uns dazu, etwas zu erfinden, unser Gehirn einzusetzen. Und sie sind definitiv nicht schlechter bei uns. mehr als genug zu pflügen. Wir haben rund um die Uhr gearbeitet, sieben Tage die Woche. Das Schwierigste war nicht einmal, eine Superminiatur-Sonde herzustellen, sondern sie zu verkaufen. Wir wissen, dass unsere die ist besten der Welt, wir schreien im Internet darüber, wir bombardieren Kunden mit Faxen, mit einem Wort, wir schlagen uns wie dieser Frosch auf die Beine, - null Aufmerksamkeit." Als sie erfuhren, dass einer der führenden Hersteller von Mikroskopen, die japanische Firma Joyle, nach Nadeln mit sehr komplexer Form suchte, erkannten sie, dass dies ihre Chance war. Der Auftrag kostete viel Kraft und Nerven, brachte aber einen Hungerlohn ein. Aber Geld war nicht die Hauptsache – jetzt konnten sie lautstark verkünden: Die berühmte „Joyle“ ist unser Kunde. In ähnlicher Weise produzierte MDT fast anderthalb Jahre lang kostenlos Spezialsonden für das US National Institute of Standards and Technology. Und ein neuer großer Name tauchte in der Kundenliste auf. "Jetzt ist der Auftragsfluss so groß, dass wir nicht mehr alle zufrieden stellen können", sagt Shabratov. Lieferunterbrechungen, ihre geringe Qualität, Unverbindlichkeit von Subunternehmern." Das Aufkommen der Rastersondenmikroskopie fiel erfolgreich mit dem Beginn der rasanten Entwicklung der Computertechnologie zusammen und eröffnete neue Möglichkeiten für den Einsatz von Sondenmikroskopen. 1998 entstand am Center for Advanced Technologies (Moskau) ein Modell des Rastersondenmikroskops FemtoScan-001, das ebenfalls über das Internet gesteuert wird. Jetzt kann ein Forscher überall auf der Welt an einem Mikroskop arbeiten, und jeder, der möchte, kann in den Mikrokosmos "blicken", ohne den Computer zu verlassen. Heute werden solche Mikroskope nur noch in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Mit ihrer Hilfe werden die sensationellsten Entdeckungen in Genetik und Medizin gemacht, Materialien mit erstaunlichen Eigenschaften geschaffen. In naher Zukunft wird jedoch ein Durchbruch vor allem in der Medizin und Mikroelektronik erwartet. Mikroroboter werden auftauchen, die Medikamente durch Gefäße direkt zu erkrankten Organen liefern, Mini-Supercomputer werden geschaffen. Autor: Musskiy S.A.
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