УДК 621.315

   Ключевые слова: нанотехнология, зондовая микроскопия, ближнее поле, наномасштабный зазор

   Нанотехнологиям и нанофизическим исследованиям сегодня уделяется большое внимание. Лидерами являются, как правило, высокоразвитые страны, имеющие большой экономический и научно-технический потенциал. Это связано со сложностью технологической оснастки, наличием и востребованностью специалистов высокой квалификации, большими инвестициями.
   Нанотехнология определяется как ''…совокупность способов и приемов создания функциональных элементов нанометровых размеров на поверхности подложек, в том числе из отдельных молекул и атомов, с возможностью одновременной их визуализации и контроля'' [1]. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) [2-4] в значительной степени удовлетворяет приведенному определению, и именно она предоставляет и другой путь участия в наноисследованиях. Этот путь предполагает привлечение более дешевой техники, не требующей специальных помещений для технологических операций и многочисленного высококвалифицированного персонала.
   Принцип работы СЗМ позволяет манипулировать нано- и субнано объектами и создавать их, локально активизировать химические реакции, например, производить операции окисления или травления и организовывать атомномасштабную архитектуру на поверхности материалов твердотельной электроники [1- 3].
   Физика наномасштабных элементов диктует специфику инструментов для наноисследований. Пример этого - СЗМ.
   Принципы работы зондовой микроскопии требуют создания наномасштабного зазора игла-поверхность, в котором основную роль начинают играть и зависимости считываемого (конкретным видом микроскопа) сигнала от величины этого зазора. Эту ситуацию можнo назвать режимом ближнего поля. В технике СЗМ такой зазор достигается применением специально сконструированных прецизионных двигателей. Кроме того, в микроскопии необходима организация X,Y-сканирования и одновременного поддержания устойчивого сигнала обратной связи, обеспечивающего этот ''штатный режим'' работы. Требуется и специальное программное обеспечение как для управления работой микроскопа, так и последующей обработки полученных данных.
   В то же время из многих научных публикаций, посвященных зондово-микроскопическим исследованиям, следует, что научно-практический интерес могут представлять как сам зазор зонд-поверхность, являясь наномасштабной конфигурацией, так и отдельные узлы этих устройств [5-7].
   Несмотря на значительный прогресс в промышленном производстве СЗМ последние все еще остаются довольно дорогими приборами и далеко не каждая исследовательская организация имеет возможность его приобретения. Поэтому, как нам кажется, может быть востребовано предлагаемое простое и не дорогое устройство, легко реализующее режим ''ближнего поля''. Это позволит провести исследования как самого зазора, зависимости его поведения от разнообразных внешних факторов, так и предложить новые технические решения в зондовой микроскопии, адаптирующие прибор к конкретным исследовательским задачам.
   Одним из возможных принципов для реализации подобного устройства - измерительного стенда наноразмерного зазора - является создание условия, при котором проявляется регистрируемый туннельный ток. Опыт создания лабораторного зондового микроскопа [8] и работы с ним подсказал, что использовать туннельный ток в качестве информативного сигнала в ближнеполевом режиме проще (нет необходимости в применении кантилевера и соответствующей техники измерения его отклонения) и зачастую нужнее (из-за появления возможности исследования и электрофизических свойств исследуемых объектов). Известно (например [2-4]), что туннельный ток (I_T) зависит от площади поперечного сечения S, ''канала'' для туннелирующих электронов, величины средней работы выхода материалов зонда и поверхности (V_T = f_з + f_п)/2), напряжения зонд-поверхность U_см и самого зазора между зондом и поверхностью H_T. Таким образом, комплекс этих измеряемых параметров такого туннельно-токового стенда может предоставить, например, информацию о качестве самого зонда, вольт-амперной характеристике H_T и ее отклика на процессы в нем. Сама система обратной связи, применяемая в технике поддержания режима ближнего поля, позволяет прямо измерять и размеры H_з [9].
   Основными условиями для функционирования зондового микроскопа являются: организация прецизионного подвода (позиционирование) зонда к исследуемой поверхности (ИП) на столь малое расстояние, при котором начинают проявляться ближнеполевые эффекты; обеспечение отслеживающим позиционером поддержания ближнеполевого зазора - замыкающего звена в цепи обратной связи (ОС); X,Y-сканирование с устойчивым отслеживающим сигналом ОС; создание соответствующего программного обеспечения СЗМ.
   Предлагаемое устройство не нуждается в сканировании, так как здесь отсутствует задача собственно микроскопирования, что значительно упрощает его техническое осуществление, а создание необходимого зазора достигается здесь отводом зонда, изначально находящегося в гальваническом контакте с проводящей поверхностью, на задаваемое расстояние (H₃). Востребованность в СЗМ технике специально разработанных микродвигателей позиционирования зонда (для достижения аналогичного рабочего зазора) в основном диктуется необходимостью сохранить латеральное (вдоль плоскости исследуемой поверхности) пространственное разрешение микроскопа, которое определяется также и радиусом кривизны кончика зонда-иглы (при соударении с исследуемым объектoм (ИО) игла ''притупляется''). Способом отвода значительно упрощается организация ближнеполевого режима, о создании которого информирует регистрируемое изменение природы тока контакта поверхность/зонд с проводящего (I_np) на туннельный ток (I_T). Здесь применяется техника отслеживания постоянства заданного порогового значения I_Т, но с облегчением задачи стабилизации ОС (сканеры в стенде отсутствуют). На рис.1 представлена принципиальная блок-схема стенда, обеспечивающая туннельно-токовый контроль заданной величины зазора. При отводе поверхности ИО от зонда гальванический контакт зонд/поверхность обрывается, что приводит к крутому падению исходной величины тока, формируемого перестраиваемым напряжением U_см. Ток преобразуется в предварительном усилителе (ПУ) в напряжение U_T, поступающее на устройство отслеживания (УО). Оно измеряет спадающее U_T и, сравнивая с заданным пороговым U_п, выдает разностный сигнал D, формирующий управляющее ОС напряжение U_OC для исполнительного механизма (ИМ), корректирующего зазор H_T. ИМ представляет собой совмещение электромагнитного позиционера (ЭМП) с пьезокерамическим позиционером (ПКП). В используемом измерительном приборе одновременно наблюдается трансформация гальванического контакта в туннельный (поведение U_T) и формирование и изменение U_OC. Помимо ручного, предусмотрено и компьютерное управление работой стенда (помимо регистрации U_T и U_OC задаются U_см и пороговое напряжение - U_П).