Ученые получили возможность разглядывать вещества при недостижимых ранее условиях — Naked Science
8 минут
НИТУ «МИСиС»

Ученые получили возможность разглядывать вещества при недостижимых ранее условиях

Специалистам НИТУ МИСиС удалось серьезно расширить возможности сканирующих зондовых микроскопов. Теперь с их помощью можно изучать поверхности веществ на атомном уровне при недостижимых ранее значениях температуры.

Образец бидоменного ниобата лития
Образец бидоменного ниобата лития

Прогнозы о конкретных результатах разработки строить пока рано, поскольку никто не видел, что происходит с поверхностями при таких условиях. Но ясно точно: чтобы узнать, какие секреты хранит в себе нагретая поверхность даже самых известных веществ, всем лабораториям мира придется менять «сердце» сканирующего зондового микроскопа – пластинку пьезоэлектрика, благодаря которой перемещается сканирующая игла прибора.

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) – это научно-исследовательские приборы, позволяющие не просто исследовать объекты на наноразмерном уровне, но и с высокой точностью манипулировать ими. Принцип работы таких микроскопов основан на «прощупывании» поверхности изучаемого образца миниатюрной иглой – кантилевером. Перемещать иголку нужно очень точно, на расстоянии порядка единиц нанометров.

Для этой цели используются специальные устройства – актюаторы, работающие на основе пьезоэлектрического эффекта. Его можно увидеть в пьезозажигалках, в которых нажатие кнопки вызывает резкую деформацию кварцевого кристалла и появление электрической искры. В зондовых же микроскопах работает обратный эффект – приложенное электрическое напряжение деформирует кристалл, к которому прикреплена игла. Меняя напряжение, можно двигать иглу и, линия за линией, сканировать таким способом поверхность.

Сейчас в большинстве сканирующих зондовых микроскопов в качестве пьезоэлектрика используются трубки из цирконата-титаната свинца (ЦТС). У него много преимуществ перед конкурентами, но и он неидеален. Так, например, за счет такого явления, как механический гистерезис, кантилевер при сканировании может переместиться в непредсказуемую точку, а низкая устойчивость пьезоэлектрика к изменениям температуры приводит к тому, что экспериментальные результаты зависят от «погоды» в лаборатории.

Сотрудница кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ МИСиС Юлия Терехова предложила вместо ЦТС-керамики использовать для перемещения кантилевера новый материал, разработанный на кафедре материаловедения полупроводников и диэлектриков – бидоменные монокристаллы ниобата лития.

Сам ниобат лития известен довольно давно – первые образцы были получены в 1960-е годы независимо друг от друга учеными СССР и США для применения в лазерах и других оптических устройствах. Кроме выдающихся оптических характеристик ниобат лития проявляет также пьезоэлектрические свойства и при этом не обладает присущими ЦТС-керамике недостатками.

Пьезоэлектрические характеристики ниобата лития на порядок хуже, чем у пьезокерамики, что до недавнего времени не позволяло использовать его в сканирующих зондовых микроскопах: слишком большое напряжение надо было прикладывать к ниобату, чтобы переместить иглу кантилевера на достаточное расстояние.

Однако группа ученых из НИТУ МИСиС смогла решить эту проблему. Тонкую кристаллическую пластину ниобата лития отжигают так, что в ней формируются две одинаковые по объему области (домены), которые при приложении электрического поля деформируются по-разному. Такие кристаллы называют бидоменными. Правильно подобрав геометрию и ориентацию пластины, удалось получить значительные перемещения кантилевера при небольших управляющих напряжениях.

Благодаря применению кристаллов из бидоменного ниобата лития изображения стали более четкими. Кроме того, появилась возможность исследовать поверхности при температурах, недостижимых для ЦТС-керамики. Она перестает быть пьезоэлектриком уже при 150–200°С, а ниобат сохраняет свойства до 450°С, что позволяет изучать изменения сканируемой поверхности в процессе нагрева, например.

По условию конкурса «У.М.Н.И.К.», который Юлия Терехова выиграла со своим проектом, она будет работать над ним в течение двух лет. На данный момент она создает лабораторный образец первого в своем роде «сердечника» для микроскопа. Итогом исследования должно стать готовое устройство, способное заменить устаревшие системы перемещения в сканирующих зондовых микроскопах.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
НИТУ «МИСиС»
28 статей
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» — российский технический университет; первый вуз в стране, получивший статус «Национального исследовательского технологического университета», лучший вуз России 2019 года по версии Forbes Россия. Сегодня в состав НИТУ «МИСиС» входят 9 институтов и 6 филиалов, 4 из которых работают в России и 2 за рубежом.
8 часов назад
6 минут
Василий Парфенов

Интересным наблюдением поделились сотрудники Чернобыльского радиационно-экологического биосферного заповедника. Они уже более трех лет следят за жизнью стада одичавших коров, поведение которого сильно отличается от того, что можно наблюдать у домашних сельскохозяйственных животных.

6 часов назад
30 минут
Редакция

Количество популярных заблуждений о нефти огромно. Некоторые из них скорее забавные: например, мы называем ее «черным золотом», хотя это зачастую совсем не так, она может быть разных цветов. К примеру, нефть, в которой содержится мало металлов и серы, почти прозрачна, а на некоторых месторождениях добывают сырье зеленоватого или желтоватого цвета, есть даже красноватая разновидность.

5 часов назад
4 минуты
Василий Парфенов

Изменчивость вирусов вызывает обоснованные опасения в эффективности вакцин против них как у обывателей, так и у специалистов. Поэтому не прекращаются работы по созданию антител широкого спектра действия. И одно из таких исследований увенчалось успехом: американские специалисты создали антитело ADG-2, которое эффективно связывается не только с возбудителем Covid-19, но и с большинством его родственных видов.

8 часов назад
6 минут
Василий Парфенов

Интересным наблюдением поделились сотрудники Чернобыльского радиационно-экологического биосферного заповедника. Они уже более трех лет следят за жизнью стада одичавших коров, поведение которого сильно отличается от того, что можно наблюдать у домашних сельскохозяйственных животных.

24 января
4 минуты
Мария Азарова

Пациент — уроженец Исландии Феликс Гретарссон, лишившийся верхних конечностей более 23 лет назад из-за несчастного случая на работе — уже идет на поправку.

Вчера, 08:15
9 минут
Мария Азарова

Существует распространенное мнение, что женщины, скрывая овуляцию, получили возможность удерживать мужчин рядом с собой. Однако авторы нового исследования заявляют о преимуществах, которые женщины, напротив, таким образом могли возыметь во взаимоотношениях с представительницами своего же пола.

4 января
2 минуты
Илья Ведмеденко

В России приступили к летным испытаниям нового Ту-214. По имеющимся данным, речь идет о третьем и заключительном экземпляре Ту-214ПУ, изготовленном по контракту от 2017 года.

6 января
42 минуты
Александр Березин

Попытки нашей страны создать замену сверхмассовому биплану советской эпохи терпят неудачи вот уже тридцать лет. Причина проста: кризис легкомоторной авиации в целом. Когда-то самая передовая часть авиастроения сегодня застряла на решениях большой древности — и без резкого изменения всей концепции "летающего такси" так и не увидит заметных результатов.

4 января
7 минут
Василий Парфенов

Наступление Мирового океана на сушу, как правило, связывают с глобальным потеплением. Однако испанские геологи описали еще одну проблему, которая только усугубляет ситуацию. Они подсчитали, что из-за проседания почв территория, на которой проживает 19% населения Земли, окажется ниже уровня моря уже к 2040 году.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: