Российские учёные прикоснулись к отдельным атомам

Рис. 1. «Звезда» на поверхности графита

Научно-производственное предприятие «Центр перспективных технологий» разработало новый метод нанолитографии для углеродных материалов, который заключается в анодном окислении поверхности с помощью зонда атомно-силового микроскопа. С методом зондовой нанолитографии можно было ознакомиться в ходе мастер-класса. Его провели сотрудники центра в рамках конференции в Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова.

Зондовым методам, при которых для исследования поверхности применяются атомно-острые иглы (зонды), в последнее время уделяется особое внимание. В наномире зонды, подобно пальцам, позволяют прикасаться к отдельным атомам. Современные приборы могут с высокой точностью отслеживать наноскопические перемещения зонда при движении вдоль поверхности, повторяющие рельеф атомных структур. Так рождаются завораживающие изображения наномира. На рис. 1 показана «звезда» на поверхности графита, толщина лепестков которой составляет всего 5 атомов углерода.

Высокое пространственное разрешение в зондовой микроскопии достигается за счёт малой области взаимодействия между атомами на кончике зонда и на поверхности. В отличие от оптической микроскопии, дифракционный предел не преграда.

Рис. 2. Сканирующий зондовый микроскоп «ФемтоСкан». Несмотря на компактные размеры, он позволяет реализовывать более 50 методик зондовой микроскопии и в условиях работы на воздухе обеспечивает атомное разрешение

Сканирование может проводиться в различных средах – в воздухе и даже в жидкости. Во многих случаях не требуется дорогого вакуумного оборудования – как в электронной и ионной микроскопии. Зондовые микроскопы обладают компактными размерами и легко интегрируются с другими приборами (см. рис. 2). Всё это даёт исследователю дополнительные возможности. Например, молекулы из окружающего пространства можно заставить реагировать с атомами поверхности. Для этого между зондом и поверхностью подаётся напряжение, причём поверхность заряжается положительно – реализуется режим локального анодного окисления (ЛАО). В результате электрохимической реакции атомы поверхности окисляются с образованием оксидов.

Если окислению подвергается углеродный материал, то под зондом формируются ямки, так как оксиды углерода (СО и СО2) газообразны. Вначале предполагалось, что атомы углерода взаимодействуют с кислородом воздуха. Но последующие эксперименты показали, что основной окислитель в данном случае – вода, конденсирующаяся из воздуха на поверхности.

Недавно было обнаружено, что при окислении графита могут образовываться как ямки, так и бугорки. Увеличение высоты поверхности объясняли формированием оксида графита. Это соединение сохраняет слоистую структуру графита, однако слои из атомов углерода искривляются из-за присоединения кислородсодержащих химических групп. Также происходит внедрение молекул воды в межслоевое пространство, что и объясняет возникновение бугорков на поверхности. В отличие от графита, его оксид представляет собой диэлектрик, поэтому путём локального окисления поверхности графита могут быть созданы различные наноструктуры для устройств электроники, химических и биологических сенсоров, контактные площадки для экспериментов с единичными живыми клетками. Метод позволяет всего за несколько минут сформировать наноструктуры с разрешением до 10 нм.

Рис. 3. Следы нанозверей на поверхности графита. Рисунок создан методом локального анодного окисления

Уникальный метод покоряет сердца не только наноинженеров, но и людей с тягой к прекрасному. Всё чаще художники обращаются к современным технологиям для воплощения своих идей. За небольшое время проведения мастер-класса по нанолитографии на поверхности графита появились стада наноенотов и следы нанозверей (см. рис. 3). Оказалось, что один кусочек графита со стороной в 1 см предоставляет неограниченные возможности для творчества и на нём может быть размещено до 100 миллионов микронных картин.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.