Учёные НИТУ МИСиС значительно улучшили возможности сканирующих зондовых микроскопов. Благодаря этому теперь возможно исследовать поверхности материалов на атомном уровне при высоких температурах, ранее не доступных для изучения.
Сделать прогнозы о результатах разработки пока нельзя, так как неизвестно, что происходит с поверхностями в подобных условиях. Однако понятно: для выяснения секретов нагретой поверхности даже привычных веществ лабораториям мира придется менять сердце сканирующего зондового микроскопа – пластинку пьезоэлектрика, отвечающую за перемещение иглы прибора.
Сканирующие зондовые микроскопы – научные приборы, способные исследовать объекты на наноразмерном уровне и с высокой точностью манипулировать ими. Работа основана на «прощупывании» поверхности образца миниатюрной иглой – кантилевером. Движение иглы должно быть очень точным, на расстоянии в единицы нанометров.
Для этого применяют специальные устройства – актюаторы, функционирующие на основе пьезоэлектрического эффекта. Его демонстрируют пьезозажигалки: нажатие кнопки вызывает резкую деформацию кварцевого кристалла и появление электрической искры. В зондовых микроскопах действует обратный процесс – приложенное напряжение деформирует кристалл, к которому крепится игла. Изменяя напряжение, можно перемещать иглу и, строка за строкой, таким образом сканировать поверхность.
В большинстве сканирующих зондовых микроскопов применяются трубки из цирконата-титаната свинца (ЦТС) в качестве пьезоэлектрика. Данный материал обладает множеством преимуществ по сравнению с аналогами, но и у него есть недостатки. Например, из-за механического гистерезиса кантилевер при сканировании может перемещаться в непредсказуемый участок, а низкая устойчивость пьезоэлектрика к температурным колебаниям приводит к тому, что экспериментальные результаты зависят от условий лаборатории.
Юлия Терехова, сотрудница кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ МИСиС, предложила использовать для перемещения кантилевера новый материал – бидоменные монокристаллы ниобата лития – разработанный на этой же кафедре вместо ЦТС-керамики.
Сам ниобат лития знаком уже давно – первые образцы появились в 1960-х годах благодаря учёным СССР и США, которые работали независимо друг от друга. Предполагалось использовать его в лазерах и оптических приборах. Благодаря исключительным оптическим свойствам ниобат лития также обладает пьезоэлектрическими качествами и не имеет недостатков, свойственных керамике ЦТС.
Пьезоэлектрические характеристики ниобата лития значительно уступают пьезокерамике, из-за чего до недавнего времени его не применяли в сканирующих зондовых микроскопах: для перемещения иглы кантилевера требовалось слишком большое напряжение.
Ученые из НИТУ МИСиС нашли решение проблемы.
Кристаллическую пластинку ниобата лития отжигают так, чтобы в ней образовались две равные по объему области (домены), которые при электрическом поле деформируются по-разному. Кристаллы с такой структурой называют бидоменными. Правильно подобрав форму и ориентацию пластины, удалось добиться больших перемещений кантилевера при небольших управляющих напряжениях.
Использование кристаллов из бидоменного ниобата лития улучшило чёткость изображений. Появилась возможность исследовать поверхности при температурах, недоступных для ЦТС-керамики, которая теряет пьезоэлектрические свойства уже при 150–200°С. Ниобат сохраняет свои свойства до 450°С, что позволяет изучать изменения сканируемой поверхности при нагревании.
Юлия Терехова победила в конкурсе «У.М.Н.И.К.» со своим проектом и теперь в течение двух лет будет его реализовывать. В настоящее время она разрабатывает лабораторный образец первого «сердечника» для микроскопа. Цель исследования — создание готового устройства, способного заменить устаревшие системы перемещения в сканирующих зондовых микроскопах.
