НАНОТЕХНОЛОГИЯ: МЕЧТЫ И РЕАЛЬНОСТЬ

Pony (pony@xakep.ru)

Спецвыпуск Xakep, номер #031, стр. 031-094-1

Так что же это за слово такое волнующее и ужасное - "нанотехнология"? И что за ним стоит?

Стоит за ним относительно новая область знания, предмет которой - манипулирование объектами, имеющими геометрические размеры порядка нанометра. Это уже операции не с веществом, а с отдельными атомами и молекулами.

С ЧЕГО ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ

Официальным моментом рождения понятия "нанотехнология" считают 29 декабря 1959 года, когда нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своей речи на съезде Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте сказал о том, что "принципы физики не запрещают" подобные манипуляции. Тогда его слова казались фантастикой, так как еще не существовало методов, позволяющих оперировать отдельными атомами на атомарном же уровне (схватить нужный нам отдельный атом и перетащить его на нужное нам место). Аппаратура, позволяющая реализовать эти методы (на самом примитивном уровне, кстати говоря), появилась позднее - в конце семидесятых годов.

В 1966 году группой Рассела Янга из Национального бюро стандартов США был создан прибор под названием "Topografiner". Прибор предназначался для изучения топографии поверхностей проводящих материалов. Не вдаваясь в подробности конструкции, можно сказать, что такой прибор мог бы после некоторой доработки обеспечить возможность исследования рельефа поверхности с атомарным разрешением, но такой задачи группа Янга перед собой не ставила...

Зато ее поставили перед собой сотрудники швейцарского отделения IBM Генрих Рорер и Герд Биннинг. Они успешно осознали идею получения атомарного разрешения при помощи твердотельных зондов (игл) и в 1981 году создали прибор, как две капли воды похожий на янговский (попутно его запатентовав). На этом приборе они получили это самое атомарное разрешение, а заодно и Нобелевскую премию по физике в 1981 году. Неизвестно, что чувствовал при этом Янг...

КАК ОНО РАБОТАЕТ?

Прибор, сконструированный Рорером и Биннингом, стал именоваться СТМ - сканирующим туннельным микроскопом (точнее было бы - наноскопом). Принцип его работы прост, как и все гениальное. Основной элемент СТМ - очень тонкая специальным способом заточенная игла. Чем острее кончик иглы, тем точнее работает прибор. В идеале на конце иглы должен находиться один-единственный атом. Игла перемешается вдоль исследуемой поверхности с помощью электромеханической системы (поэтому микроскоп называется сканирующим). Точность перемещения иглы составляет несколько ангстрем, что сравнимо с атомарными размерами. Между иглой и исследуемой поверхностью подается электрическое напряжение. Поскольку зазор между ними очень мал (тоже несколько ангстрем), через иглу начинает течь электрический ток. Величина тока зависит от зазора между иглой и поверхностью, а значит, перемещая иглу, мы можем прорисовывать рельеф поверхности. Квантовый эффект, который отвечает за протекание тока между иглой и поверхностью (а между ними есть зазор), называется туннельным эффектом (поэтому микроскоп называется туннельным).

Позже появилось множество различных модификаций сканирующих зондовых микроскопов, обладающих по сравнению с первыми образцами гораздо более совершенными характеристиками и способных исследовать не только рельеф поверхности, но и другие ее свойства, например, магнитные.