Сканирующая туннельная микроскопия

Г. Г. Еленин

Значительную роль в неудержимом исследовании наномира сыграли, по крайней мере, два события:

создание сканирующего туннельного микроскопа (G. Bennig, G. Rohrer,1982 г.) и сканирующего атомно-силового микроскопа (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber,1986 г.) (Нобелевская премия 1992 г.),

открытие новой формы существования углерода в природе – фуллеренов (H. Kroto, J. Health, S. O’Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985 г.) (Нобелевская премия 1996 г.).

Новые микроскопы позволили наблюдать атомно-молекулярную структуру поверхности монокристаллов в нанометровом диапазоне размеров. Наилучшее пространственное разрешение приборов составляет сотую долю нанометра по нормали к поверхности. Действие сканирующего туннельного микроскопа основано на туннелировании электронов через вакуумный барьер. Высокая разрешающая способность обусловлена тем, что туннельный ток изменяется на три порядка при изменении ширины барьера на размеры атома. Теория квантового эффекта туннелирования заложена Г. A. Гамовым в 1928 г. в работах по a- распаду.

С помощью различных сканирующих микроскопов в настоящее время наблюдают за атомной структурой поверхностей монокристаллов металлов, полупроводников, высокотемпературных сверхпроводников, органических молекул, биологических объектов.

Новые микроскопы полезны не только при изучении атомно-молекулярной структуры вещества. Они оказались пригодными для конструирования наноструктур. С помощью определенных движений острием микроскопа удается создавать атомные структуры. Движения острия при создании наноструктур из отдельных атомов напоминают приемы хоккеиста при продвижении шайбы клюшкой.

Представляет интерес создание компьютерных алгоритмов, устанавливающих нетривиальную связь между движениями острия и перемещениями манипулируемых атомов на основе соответствующих математических моделей. Модели и алгоритмы необходимы для разработки автоматических “сборщиков” наноконструкций.