Ученые разработали метод наблюдения за веществами в экстремальных условиях.

Новости МирТесен

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 реализации этой задачи применяются специализированные механизмы – пьезоэлектрические актуаторы. Принцип их действия основан на пьезоэффекте, который проявляется в пьезозажигалках: при нажатии кнопки происходит резкое изменение формы кварцевого кристалла и возникает электрическая искра. В микроскопах зондового типа действует противоположный эффект – под воздействием напряжения кристалл деформируется, что приводит к смещению закрепленной на нем иглы. Путем варьирования величины приложенного напряжения возможно перемещение иглы и последовательное построение изображения исследуемой поверхности.

В настоящее время в большинстве микроскопов зондового типа для создания пьезоэлектрического эффекта используют трубки, изготовленные из цирконата-титаната свинца (ЦТС). Этот материал обладает рядом достоинств по сравнению с альтернативными решениями, однако он также имеет недостатки. Например, эффект механической гистерезиса может вызывать непредсказуемое смещение иглы во время сканирования, а недостаточная стабильность пьезоэлектрика при колебаниях температуры приводит к зависимости результатов измерений от условий проведения эксперимента 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 не является новинкой; его синтез осуществлялся еще в 1960-х годах, параллельно и независимо друг от друга, научными группами из Советского Союза и Соединенных Штатов Америки. Изначально он предназначался для использования в лазерных технологиях и других оптических приборах. Помимо превосходного светопропускания, ниобат лития демонстрирует пьезоэлектрический эффект и не имеет тех ограничений, которые свойственны ЦТС-керамике.

Эффективность пьезоэлектрического воздействия ниобата лития значительно ниже, чем у керамических материалов на основе свинца, что ранее препятствовало его применению в микроскопах зондового типа: для перемещения иглы требовалось прикладывать чрезмерно высокое напряжение.

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 бидоменного ниобата лития позволило значительно улучшить качество получаемых изображений. Также открылась возможность изучения поверхностей при более высоких температурах, чем это возможно с использованием ЦТС-керамики. Последняя теряет свои пьезоэлектрические свойства уже в диапазоне 150–200°С, тогда как ниобат сохраняет их до 450°С, что дает возможность наблюдать за изменениями сканируемой поверхности во время нагрева, например.

В рамках конкурса «У.М.Н.И.К.» Юлия Терехова заняла призовое место со своей разработкой и получит возможность продолжить работу над ней в течение двух лет. В настоящее время она занимается созданием опытного образца уникального компонента для микроскопа. Ожидаемым результатом исследования станет функциональное устройство, предназначенное для модернизации устаревших систем позиционирования в сканирующих зондовых микроскопах.