Некоторые достижения научного приборостроения

Совершенно очевидно, что бурный рост открытий в области физики, сделанных в конце XX столетия, обзор которых приведен выше, был бы невозможным без достижений в научном приборостроении. Благодаря развитию техники ученые имеют в своем арсенале уникальные инструменты, с помощью которых могут вести научные исследования. Перечислим лишь некоторые из них — это современные ускорители элементарных частиц, детекторы электромагнитного излучения широкого диапазона частот, измерители гравитационных волн, радиотелескопы, разеры, гразеры и т. д. Рассмотрим несколько интересных, с нашей точки зрения, научных приборов, стимулирующих развитие магистральных научных направлений.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (ACM)

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) позволяет получать изображения отдельных атомов и молекул, картографировать распределения электрических, магнитных и механических свойств и даже температурные изменения — и все это с недоступным ранее разрешением. При его использовании отпадает необходимость модифицировать исследуемый образец или подвергать его разрушающему воздействию высокоэнергетического облучения. За создание сканирующего туннельного микроскопа Герд Карл Бинниг (р. 1947) и Генрих Рорер (р. 1933) были удостоены Нобелевской премии по физике 1986 г. С помощью СТМ можно «увидеть» атомы, диаметры которых составляют всего 0,2 нм. Более того, изображение характеризуется сверхвысоким разрешением: квантово-механическая длина волны туннелирующих электронов зонда, с помощью которых получается изображение, равна приблизительно 0,1 нм.

В 1985 г. Г. Бинниг совместно К. Куэйтом из Стэндфордского университета и К. Джербером из Исследовательского центра IBM в Цюрихе создали атомно-силовой микроскоп (ACM). Вместо туннельного тока в ACM используется воспроизведение силовых контуров, т. е. контуров сил отталкивания, возникающих при перекрывании электронного облака острия с электронными облаками атомов поверхности.

Сегодня СТМ и ACM уже стали широко распространенными исследовательскими инструментами. Для одного из ведущих научных направлений современности — нанотехнологии — туннельный микроскоп и ACM стали мощными инструментами исследования. Туннельно-зондовая микроскопия и нанотехнология на базе современных сканирующих туннельных и атомносиловых микроскопов позволяют проводить комплексное исследование поверхностей подложек из любых материалов, в том числе представляющих собой элементы нанои микроэлектроники, создавать нанообъекты на поверхности подложек, включая элементы электроники, исследовать клеточные структуры, бактерии, вирусы, ДНК и многое другое.

Несмотря на уникальные свойства СТМ и ACM, они не очень хорошо подходят для проверки качества микроэлектронных изделий в процессе их изготовления. Выход из этого положения предложен группой ученых технологического исследовательского отделения IBM в Йорктаун-Хейтсе. Они изобрели лазерный силовой микроскоп (ЛСМ), в котором указанные выше силы регистрируются с помощью лазера.