Атомная сборка

С помощью сканирующего туннельного микроскопа можно не только исследовать электронную и атомно-молекулярную структуры поверхности проводящих материалов, но и формировать нанообъекты из отдельных атомов, используя для этого перенос атомов с помощью острия СТМ вдоль поверхности образца. Для этого вначале необходимые атомы осаждаются на подложку, например, из газовой фазы произвольным образом, а затем с помощью игольчатого электрода СТМ производится атомная сборка по заранее намеченному плану.

Зонд СТМ, находясь в непосредственной близости от поверхности (0,5- 1,0 нм), взаимодействует с её атомами. Взаимодействие между зондом и образцом или адсорбатом на его поверхности может осуществляться посредством одного из трех механизмов:

1) за счёт дальнодействующих сил Ван-дер-Ваальса (сил взаимодействия

между молекулами) или за счёт короткодействующих сил химической

связи на близких расстояниях;

2) за счёт сил электрического поля (в туннельном зазоре в области острия

создаются поля до 10⁸ В/см), что достаточно для вырывания атомов

электрическим полем – полевое испарение;

3) за счёт неупругого туннелирования электронов. При столкновениях

с атомами поверхности или адсорбата туннелирующие электроны

вызывают электронное или колебательное возбуждение молекул, что

может сопровождаться десорбцией, диссоциацией или изменением

конфигурации молекул и даже позволяет производить синтез двух

отдельных молекул в одну.

Рассмотрим процесс атомной сборки более подробно. Допустим, что на поверхности материала имеется адсорбированный атом, удерживаемый в определённой позиции теми или иными связями с атомами подложки. Когда в процессе сканирования в режиме неизменного туннельного тока зонд подходит к этому адсорбированному атому, его траектория искажается, что и служит источником информации о топологии поверхности. Расстояние между острием и адсорбированным атомом таково, что любые силы между ними малы по сравнению с силами, связывающими атом с поверхностью, так что адсорбированный атом при прохождении над ним острия остаётся на месте. Если острие подходит ближе к адсорбированному атому так, что взаимодействие острия с атомом становится сильнее взаимодействия между ним и поверхностью, острие может потянуть атом за собой. Захваченный атом можно оставить в любой точке поверхности путём увеличения расстояния между острием и подложкой.

Процессы захвата и сброса атома с иглы можно сделать более надежными, меняя приложенное к ней напряжение в ту или иную сторону. Адсорбированные на поверхности материала атомы можно таким способом перегруппировать и поатомно строить на поверхности различные наноструктуры. Чтобы такие структуры были стабильными, процесс атомной сборки необходимо проводить при очень низких температурах (температура жидкого азота) и в условиях сверхвысокого вакуума.

Возможности СТМ по манипулированию отдельными атомами впервые продемонстрировали сотрудники исследовательского центра корпорации IBM, которые написали трёхбуквенное название своей фирмы, использовав для этой цели 35 атомов инертного газа - ксенона, точно разместив их на поверхности охлаждённого кристалла никеля (рис.3.20.).

Вначале поверхность монокристалла Ni (110) была тщательно очищена в сверхвысоком вакууме бомбардировкой ионами аргона и отжигом в кислороде, чтобы убрать связанный с поверхностью углерод. В результате получилась атомно-гладкая грань с прямоугольной элементарной ячейкой. Монокристалл никеля охладили до 4 К и на его поверхность осадили атомы ксенона, которые хаотично расположились на его поверхности. Затем с помощью зонда того же СТМ было осуществлено контролируемое перемещение атомов ксенона в нужные места. Высота каждой буквы 5 нм, атомы ксенона располагались на расстоянии 0,5 нм друг от друга.

По-видимому, система Xe-Ni не является исключением и с помощью СТМ возможна атомная сборка и в других системах. Однако, в настоящее время для массового производства этот метод нанотехнологии не годится. Скорее он демонстрирует уникальные возможности СТМ и является пределом микроминиатюризации при создании интегральных наносхем.