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
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.
