НИТУ МИСиС разработал технологию, значительно улучшающую возможности сканирующих зондовых микроскопов. Это позволяет исследовать структуру поверхностей материалов с атомной точностью при температурах, которые ранее считались недостижимыми.
Пока преждевременно делать точные прогнозы относительно результатов разработки, поскольку никто не наблюдал за поведением поверхностей в подобных условиях. Однако очевидно, что для раскрытия тайн, скрытых в нагретых поверхностях даже самых распространенных веществ, всем лабораториям потребуется модернизировать ключевой компонент сканирующего зондового микроскопа – пьезоэлектрическую пластину, отвечающую за перемещение сканирующей иглы.
Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) – это специализированные инструменты для научных исследований, которые позволяют не только изучать объекты на наноуровне, но и точно управлять ими. В основе работы таких микроскопов лежит принцип «прощупывания» поверхности образца с помощью миниатюрной иглы, называемой кантилевером. Для перемещения иглы требуется высокая точность, с разрешением в единицы нанометров.
Для достижения этой цели применяются специализированные устройства – актюаторы, функционирующие на основе пьезоэлектрического эффекта. Этот эффект демонстрируется, например, в пьезозажигалках, где нажатие кнопки приводит к мгновенной деформации кварцевого кристалла и образованию электрической искры. В зондовых микроскопах используется противоположный эффект: приложенное электрическое напряжение вызывает деформацию кристалла, к которому закреплена игла. Регулируя напряжение, можно перемещать иглу и последовательно сканировать поверхность.
В современных сканирующих зондовых микроскопах для создания пьезоэлектрического эффекта чаще всего применяются трубки, изготовленные из цирконата-титаната свинца (ЦТС). Этот материал обладает рядом достоинств по сравнению с альтернативными решениями, однако и он имеет недостатки. В частности, механический гистерезис может привести к непредсказуемому смещению кантилевера во время сканирования, а недостаточная устойчивость пьезоэлектрика к колебаниям температуры делает экспериментальные данные чувствительными к изменениям температуры в помещении.
Для обеспечения движения кантилевера Юлия Терехова, сотрудница кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ МИСиС, предложила заменить ЦТС-керамику на бидоменные монокристаллы ниобата лития – материал, созданный на той же кафедре.
Ниобат лития был впервые получен в 1960-х годах учеными СССР и США, которые независимо друг от друга исследовали его для использования в лазерах и других оптических приборах. Помимо выдающихся оптических свойств, он также демонстрирует пьезоэлектричество и не имеет тех недостатков, которые свойственны керамике на основе ЦТС.
Изначально пьезоэлектрические свойства ниобата лития были значительно ниже, чем у пьезокерамики, что препятствовало его применению в сканирующих зондовых микроскопах. Для перемещения иглы кантилевера на требуемое расстояние требовалось прикладывать чрезмерно высокое напряжение к ниобату.
Группа ученых из НИТУ МИСиС нашла решение этой задачи. Ниобат лития в виде тонкой кристаллической пластины подвергается отжигу, в результате чего в нем формируются две области одинакового объема (домены). При воздействии электрического поля эти домены деформируются по-разному. Такие кристаллы получили название бидоменные. Благодаря тщательно подобранной геометрии и ориентации пластины, удалось добиться существенных перемещений кантилевера при относительно небольших управляющих напряжениях.
Использование кристаллов на основе бидоменного ниобата лития позволило добиться большей четкости изображений. Также это открывает перспективы для изучения поверхностей при более высоких температурах, чем это возможно с ЦТС-керамикой. Последняя теряет пьезоэлектрические свойства при 150–200°С, в то время как ниобат сохраняет свои характеристики до 450°С, что позволяет исследовать изменения сканируемой поверхности в процессе нагрева.
В рамках конкурса «У.М.Н.И.К.», победителем которого стала Юлия Терехова со своей разработкой, она займется ее дальнейшей реализацией в течение двух лет. Сейчас она разрабатывает прототип уникального «сердечника» для микроскопа. Планируется, что результатом исследования станет готовое устройство, которое позволит заменить устаревшие механизмы перемещения в сканирующих зондовых микроскопах.