ОПЫТ СОТРУДНИЧЕСТВА КФТИ КазНЦ РАН и КФУ в ПОДГОТОВКЕ СПЕЦИАЛИСТОВ в ОБЛАСТИ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ НАНОСТРУКТУР Бухараев А.А. Зав.лабораторией физики и химии поверхности Казанского физико-технического института им.Е.К.Завойского КазНЦ РАН, Профессор кафедры оптики и нанофотоники Казанского федерального университета e-mail: a_bukharaev@mail.ru 1 Сканирование – построчное перемещение иглы вдоль поверхности 2 Сканирующий туннельный микроскоп, созданный в КФТИ Группа А. А. Бухараева КФТИ 1993 год Поверхность имплантированного Si 3 Основные методы сканирующей зондовой микроскопии в КФТИ Сканирующая силовая микроскопия (АСМ, ССМ) - АСМ в газовой среде, - АСМ в сверхвысоком вакууме, - АСМ в жидкости, - сканирующий резистивный микроскоп, - сканирующий микроскоп Кельвина, - магнитно- силовой микроскоп, - сканирующий микроскоп упругих сил (микроскоп модуля Юнга), - сканирующий микроскоп адгезионных сил, - сканирующий микроскоп сдвиговых сил (shear force microscopе) 4 Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) - СТМ для работы в газовой среде, -СТМ/СТС для работы в сверхвысоком вакууме при температурах от 25 до 500 К Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия - сканирующий ближнеполевой оптический микроскоп 5 Сверхвысоковакуумный СЗМ фирмы «Omicron» Наночастицы Co на ВОПГ Лаборатория ФХП Si(111) 7x7 6 Главные достоинства СЗМ: получение трехмерных изображений с разрешением до 1 нм; возможность измерения как твердых, так и мягких образцов в газообразной и жидкой среде; небольшие размеры; низкое энергопотребление. СЗМ – Solver P47 (НТ-МДТ) Лаборатория ФХП СЗМ – SMENA (НТ-МДТ) СЗМ позволяет с нанометровой точностью контролировать качество обработки поверхности металлов и полупроводников Профиль поверхности Si вдоль выделенной линии АВ. Глубина царапины 1.4 нм. СЗМ изображение поверхности полированной пластины Si с царапиной. Средняя высота неровностей 0.4 нм. Лаборатория ФХП 8 АСМ изображение каталитических наночастиц Pd на поверхности модифицированного угольного электрода Морфология (амплитудное изображение) Лаборатория ФХП Фазовое изображение (фазовый контраст) 9 Поверхность чугуна после интерференционного лазерного воздействия (Solver P47) Лаборатория ФХП 10 Специализированный СЗМ Solver-Bio для изучения биологических объектов на воздухе и в жидкой среде СЗМ Solver-Bio Эритроцит на воздухе Эритроцит в физрастворе Лаборатория ФХП Мембрана эритроцита 11 МСМ измерения в магнитном поле 2 1 3 Лаборатория ФХП 12 Пример использования двухпроходной методики при регистрации магнитного взаимодействия Лаборатория ФХП 13 Магнитно-силовые изображения Пленка Со, толщиной 40 нм. Магнитный контраст характерен для доменов с горизонтальной намагниченностью ( в плоскости образца), разделенных доменными стенками Нееля. Лаборатория ФХП Пленка Со, толщиной 80 нм. Магнитный контраст характерен для доменов с вертикальной намагниченностью (перепендикулярной плоскости образца), разделенных доменными стенками Блоха. 14 СЗМ нанолитография – локальное анодное окисление пленки Со Лаборатория ФХП 15 СЗМ нанолитография – получение магнитных наноструктур Схема получения планарных металлических наноструктур с помощью СЗМ нанолитографии и lift-off («взрывной») литографии Co Co 16 СЗМ нанолитография с помощью наногравировки («наноцарапанье») РММА Лаборатория ФХП 17 АСМ изображения нанополосок (нанопроволок) Со на диоксиде кремния, полученных с помощью СЗМ нанолитографии Микронтактные площадки Лаборатория ФХП (Bulk) = 9 мкOм*cm 18 (NW) = 51 мкOм*cm Многодоменная и однодоменная структура намагниченности в проволоках Со различной ширины М АСМ Лаборатория ФХП МСМ 19 Из выше продемонстрированного следует, что в лаборатории физики и химии поверхности КФТИ КазНЦ РАН имеется значительный парк СЗМ и большой опыт использования этих микроскопов при исследовании различных наноструктур. Имеющиеся у нас возможности можно и нужно использовать для подготовки специалистов в области сканирующей зондовой микроскопии. 20 Четыре этапа в подготовке спецалистов в области сканирующей зондовой микроскопии наноструктур На первом этапе для студентов 3-го курса читается два лекционных спецкурса: «Научные основы нанотехнологий» и «Атомы и молекулы на поверхности» В эти спецкурсы в качестве составной части входят разделы, в которых излагаются принципы работы и описываются конструкции нескольких типов СЗМ, рассматриваются методы получения с помощью СЗМ различных данных о наноструктурах, излагаются основы СЗМ нанолитографии. Лекции читаются с использованием компьютерного проектора и презентаций, с привлечением большого количества иллюстраций, схем и анимаций, наглядно отражающих работу СЗМ. В начале курса лекций студенты получают CD диск, на котором представлены все презентации, используемые в данном курсе 21 лекций, монографии и обзорные статьи по СЗМ. Методические и учебные пособия по СЗМ 1) 2) 3) 4) Учебно-методические пособия 5) Лаборатория ФХП Бухараев А.А. / Диагностика поверхности с помощью сканирующей туннельной микроскопии. (обзор) // Заводская лаборатория 1994, N 10 . Бухараев А.А., Овчинников Д.В., Бухараева А.А. / Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии (обзор) // Заводская лаборатория, 1997, N5. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии, Москва, Техносфера 2004. Бухараев А.А., Коновалова О.А., Бизяев Д.А., Салахов М.Х. / Учебно-методическое пособие. Атомно-силовая микроскопия микро- и наноструктур // Казань: КГУ, 2006. Бухараев А.А., Чукланов А.П., Салахов М.Х. / Учебно-методическое пособие. Сканирующая ближнеполевая оптическая микроскопия микро- и наноструктур // Казань: КГУ, 2010. 22 На втором этапе подготовки студенты выполняют в КФТИ несколько работ на СЗМ марки Solver P4 (фирмы НТ-МДТ) в рамках спецпрактикума «Атомно-силовая микроскопия микрои наноструктур». Solver P4 специально выделен только для студентов, которые работают на нем в удобное для них время. В частности, студенты в режиме атомно-силовой микроскопии получают изображение ядерной трековой мембраны, на которой хорошо видны следы взаимодействия отдельных ионов высоких энергий с поверхностью полимера, и определяют геометрические параметры пор, сформированных в такой мембране. Лаборатория ФХП 23 Спецпрактикум – обучение студентов и магистрантов физфака КГУ практической работе на сканирующих зондовых микроскопах типа Solver P4 и NanoEducator. СЗМ – NanoEducator (в КФУ) СЗМ Solver P4 – рабочее место для выполнения спецпрактикума. Один из тестовых образцов - СЗМ изображение следов взаимодействия отдельных ионов Bi с поверхностью диоксида кремния Лаборатория ФХП 24 Третий уровень подготовки в области СЗМ наноструктур реализуется уже в рамках магистратуры физфака КФУ. Для магистрантов читается продвинутый спецкурс «Микроскопия микро- и наноструктур», в котором уже более детально рассматриваются различные типы СЗМ и физические основы их работы, которые позволяют получать различную информацию о наноструктурах. Проводится анализ достоинств и недостатков СЗМ по сравнению с электронной, полевой и Оже микроскопией, изучаются принципы формирования СЗМ изображений и методы их компьютерной обработки, рассматриваются возможные искажения и артефакты, которые возникают при получении данных с помощью СЗМ и приводятся методы их устранения. Особое внимание уделяется различным конкретным примерам использования СЗМ при изучении и характеризации различных микро- и наноструктур (включая и биологические). Выполняется спецпрактикум по сканирующей ближнеполевой оптической микроскопии (СБОМ) на СЗМ Solver BIO (фирмы НТ-МДТ) 25 Спецпрактикум по СБОМ - восстановления формы кончика микрозонда W зонд Ni зонд СБОМ зонд Сканирующий зондовый микроскоп Solver BIO (фирмы NT-MDT) 26 Четвертый уровень подготовки Индивидуальная работа со студентами и магистрами КФУ, которая проводится в лаборатории ФХП КФТИ во время выполнения ими курсовых, бакалаврских, дипломных и магистерских работ. Практически каждый год несколько студентов и магистрантов КФУ специализируются в области СЗМ в лаборатории физики и химии поверхности КФТИ. За последние 5 лет было подготовлено и защищено 5 курсовых, 3 дипломных, 2 бакалаврских и 3 магистерских работы . 27 Дипломная работа студента Гатиятова Р.Г. ( Медаль Российской академии наук для молодых ученых РАН и для студентов ВУЗов) Достигнута рекордная чувствительность при измерении магнитострикции в наноструктурах. С помощью АСМ удалось зарегистрировать изменение размеров Ni микропроволоки в магнитном поле всего на 2 нм. (2006 г.) АСМ SMENA c электромагнитом 28 Магистерская работа Лебедева Д.В. (Грант У.М.Н.И.К., Грант «50 лучших инновационных идей РТ» Разработан метод, позволяющий с помощью специально созданного зонда АСМ с калиброванным микрошариком измерять с высокой точностью модуль Юнга биологических объектов, находящихся в жидкой среде. Воздействие химических и лекарственных препаратов, а также некоторые заболевания сопровождаются изменением модуля Юнга биообъектов, поэтому разработанный метод может найти реальное применение в биологии и медицине (2009 г.). Схема эксперимента АСМ Микрозонд с шариком 5 мкм 4 R * 32 F E h 3 Зависимость модуля Юнга брюшной аорты 29 крысы от времени при введении в раствор хлоргекседина Диссертационные работы, выполненные в КФТИ с использованием СЗМ 1. Бухараев А.А. (1999 г.) д.ф.-м.н. «Сканирующая зондовая микроскопия микро- и наноструктур, сформированных на поверхности кремния и диоксида кремния». 2. Овчинников Д.В. (2002 г.) к.ф.-м.н. «Разработка методов анализа изображений, полученных с помощью магнитного силового микроскопа». 3. Нургазизов Н.И. (2004 г.) к.ф.-м.н. «Изучение радиационностимулированного растворения диоксида кремния с помощью атомно-силового микроскопа». 4. Чукланов А.П. (2007 г.) к.ф.-м.н. «Исследование химически модифицированной поверхности кремния, нанокатализаторов и оптических структур методами сканирующей зондовой микроскопии». 5. Гатиятов Р.Г. (2010 г.) к.ф.-м.н. «Магнитосопротивление и особенности электронного транспорта в никелевых наноконтактах». 30 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В основе успешной подготовки специалистов в области СЗМ лежит использование опыта и знаний сотрудников РАН, занимающихся исследованиями наноструктур с помощью СЗМ и не жалеющих своего времени на преподавательскую деятельность. Очевидно, дальнейшее сотрудничество КФТИ КазНЦ РАН и КФУ в этом направлении позволит повысить уровень необходимых для подготовки специалистов, так современной наноиндустрии. 31 Сотрудники лаборатории физики и химии поверхности КФТИ, принимающие участие в обучении работе на СЗМ: Чукланов А.П. – нс, к.ф.-м.н. Бизяев Д.А. – нс 32 Спасибо за внимание! 33