सभी के लिए नैनो तकनीक। भाग 1: नैनोस्केल को कैसे और कैसे मापें? स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी

आपको शुभकामनाएं, खाबरगोडोर के शानदार निवासियों!

आईबीएम पोस्ट में टिप्पणियों में प्लसस और टोस्टर में मेरे प्रश्न के उत्तर, साथ ही कर्म, जो रात के दौरान 3 गुना बढ़ गया, ने हैबर की लोकप्रिय विज्ञान लेखों को पढ़ने की उज्ज्वल इच्छा का संकेत दिया: गहरा पर्याप्त है, लेकिन मानव भाषा में लिखा है और पारदर्शी उपमाओं के साथ लिखा है। हम पहले से निर्धारित करेंगे कि हम कैसे और किस बारे में लिखेंगे।

पद नहीं होंगे:

• "छत से लिया गया" बयानों के साथ विकिपीडिया और लोकप्रिय विज्ञान क्रैनबेरी से ज्ञान की पुनरावृत्ति;
• गणित और सूत्र। आम तौर पर;
• भौतिकी में स्कूल पाठ्यक्रम के बारे में शैक्षिक कार्यक्रम।

  हां, यह मेरे लिए मुश्किल नहीं है, लेकिन फिर यह लेख एक महिला व्हेल के आकार तक बढ़ जाएगा; हम सभी वयस्क हैं और यदि हम मूल बातें नहीं समझ रहे हैं, तो हम अपने स्वयं के जवाब की तलाश कर रहे हैं या टिप्पणियों में पूछ सकते हैं।

प्रकाशनों में होगा:

• तकनीकी और इंजीनियरिंग पर जोर;
• बहुत सारे सवाल। मैं चाहता था कि पाठक अपने मस्तिष्क को चालू करें और एक शोधकर्ता के रूप में सोचने की कोशिश करें;
• बड़ी संख्या में दृश्य चित्र।

बहुत सारी सामग्री है और आत्मसात को बढ़ाने के लिए इंजीनियरिंग लेख के साथ शुरू करना बेहतर है। तो, आप कैसे समझते हैं कि हमारे सामने किस तरह की तकनीक है, नैनो या नहीं? चलो इसे मापें।

जादू करने वाला शासक

सबसे पहले, हम ध्यान दें कि मैं एक प्रौद्योगिकीविद् और एक प्रयोगकर्ता की तरह अधिक सोच रहा हूं, इसलिए मेरे पास उन लोगों की बहुत अस्वीकृति है जो गणितीय उपकरण का उपयोग करते हैं, प्रक्रिया के सार और अध्ययन किए गए भौतिक विज्ञान की प्रकृति को नहीं समझते हैं।

चलो फैशन ब्रांड "नैनो" और उच्च परिभाषाओं के बारे में भूल जाते हैं। नैनो पैमाने के उपसर्गों में से एक है। माइक्रो या मेगा से अलग नहीं। इस प्रकार, यह मान लेना तर्कसंगत है कि यदि प्रौद्योगिकी में हम एक मिलीमीटर (उदाहरण के लिए, एक खराद पर भागों को मोड़ते हुए) के बराबर आकार के साथ वस्तुओं को संचालित कर सकते हैं, तो यह मिलिटेकोलॉजी है।

चलो एक नैनोस्केल और एक मीटर के एक अरबवें हिस्से की कल्पना करने की कोशिश करते हैं। एक मानव बाल की मोटाई (वैसे, इसके रंग पर निर्भर करता है) दसियों माइक्रोमीटर है। यदि हम इस मोटाई को 10,000 (!) तक कम कर देते हैं तो नैनोस्केल शुरू हो जाती है। अपने हाथों में एक बाल ले लो और आंख से इसकी चौड़ाई का मूल्यांकन करें। मेरा सुझाव है कि आप इसे मानसिक रूप से कम करें। क्या यह कल्पना करना मुश्किल है? और मैंने यह नहीं कहा कि यह सरल है (स्पष्ट रूप से, आमतौर पर असंभव है)।

यह पता चला है कि माप कल्पना से अधिक आसान है। सामान्य रूप से भौतिकी इस बात में आश्चर्य की बात है कि प्रकृति की व्याख्या के लिए लगातार असंभव उपमाओं का आविष्कार किया जाता है ताकि उन चीजों का वर्णन किया जा सके जिनकी कल्पना करना असंभव है।

एक कमरे के फुटेज को मापने के लिए टेप उपाय का उपयोग करना बेहतर है। शासक का उपयोग करने के लिए iPad की चौड़ाई अधिक सुविधाजनक है। फैक्ट्री भाग की मोटाई पूरी तरह से एक कैलीपर से मापी जाती है। और बालों की मोटाई एक ऑप्टिकल (स्कूल) माइक्रोस्कोप पर देखी जा सकती है।
लेकिन नैनो-ऑब्जेक्ट को कैसे मापें?

कोई भी माप मानक के साथ तुलना की अवधारणा पर आधारित है। यह कैसा चल रहा है?

• दृश्य तुलना: हम एक माइक्रोमीटर के आकार का एक कंकड़ पा सकते हैं, इसे माइक्रोस्कोप के मंच पर रख सकते हैं, देख सकते हैं, लेंस पर माप का एक पैमाना खींच सकते हैं और इसे आगे के शोध के लिए नेविगेट कर सकते हैं।
• ओवरले: हम एक शासक या टेप माप लेते हैं, हम इसका सही आकार जानते हैं। हम इसे नमूने पर लागू करते हैं, देखें कि शासक पर वस्तु कितनी बार फिट होती है, वांछित लंबाई की गणना करें।

प्रत्यक्ष लंबाई माप की कोई अन्य विधियाँ नहीं हैं (या मुझे याद नहीं है)। यह समझना महत्वपूर्ण है कि प्रत्यक्ष माप ऐसी क्रियाएं हैं जब परिणाम सीधे मांगी गई मात्रा है। बेशक, मैं कांच की मोटाई को माप सकता हूं, इसके माध्यम से प्रसारित प्रकाश की तीव्रता में परिवर्तन पर ध्यान केंद्रित कर सकता है (कांच जितना मोटा हो - कम रोशनी)। मैं प्रकाश की तीव्रता को मापता हूं, और फिर अप्रत्यक्ष रूप से कुछ निर्भरता के अनुसार मोटाई की गणना करता हूं। जैसा कि आप अनुमान लगा सकते हैं, ये अप्रत्यक्ष माप हैं।

क्या हम दूसरे पर एक संदर्भ नैनो-वस्तु को सुपरइम्पोज कर सकते हैं? बिल्कुल नहीं। क्या हम नेत्रहीन तुलना कर सकते हैं? हम कर सकते हैं, लेकिन यह बहुत मुश्किल है (प्रकाश की प्रकृति के कारण। एक व्याख्या और प्राकृतिक प्रतिबंधों को दरकिनार करने के तरीके अगले लेख में होंगे)।

अगर हम कल्पना नहीं कर सकते हैं, तो चलिए ... महसूस करते हैं !

जांच माइक्रोकॉपी। एसटीएम सिद्धांतों

1981 में, एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप या एसटीएम का आविष्कार किया गया था। विचार यह है: एक ग्रामोफोन को एक पतली प्रवाहकीय सुई के साथ लें और जांच को नमूने पर रखें (कोई स्पर्श नहीं है)।

स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी फोटो

हम डिवाइस पर वर्तमान का पता लगाते हैं, चूंकि विद्युत सर्किट बंद है (इलेक्ट्रॉनों सतह से सुई तक, तथाकथित सुरंग प्रभाव से कूदते हैं)। यदि जांच गड्ढे के ऊपर से गुजरती है, तो हम वर्तमान को कमजोर करते हुए देखते हैं। यदि जांच के तहत एक स्लाइड है, तो प्रवर्धन। यह सुई और नमूने के बीच की दूरी में बदलाव के कारण है। डेटा के आधार पर हम चित्रों का निर्माण करते हैं (इसके विपरीत एक विशेष बिंदु पर वर्तमान की परिमाण पर निर्भर करता है। हल्का - उच्च मान, क्योंकि जांच सतह के करीब थी)।

बाईं ओर हम ऑप्टिकल तरीकों (स्केल 10 माइक्रोमीटर) का उपयोग करते हुए एक तस्वीर देखते हैं, दाईं ओर, एसटीएम का उपयोग करके प्राप्त छवि। मजेदार है, लेकिन कोई रंग नहीं है और न ही हो सकता है। माइक्रोवर्ल्ड से सभी चित्रों को पॉप स्पष्टता के लिए मैन्युअल रूप से चित्रित किया जाता है। नैनोस्केल में, रंग की अवधारणा बस गायब हो जाती है।

सरल और सुंदर, है ना? चलो इसे घर पर दोहराएं। हम सभी आवश्यक उपकरण प्राप्त करते हैं, सुई को तेज करते हैं।

वैज्ञानिक रूप से, सुई नहीं, बल्कि एक ब्रैकट। वैसे, अंत में इसकी मोटाई 10 एनएम तक पहुंच सकती है। यह कैसे करें? एक अलग लेख के लिए प्रश्न। इस बीच, मान लें कि सांता क्लॉज़ ने आपको दिया है;)

सवाल उठता है कि सुई को सतह के काफी करीब कैसे लाया जाए (0.1 - 1 नैनोमीटर के क्रम से) और गलती से नमूने को नहीं छूना चाहिए?

नैनोस्केल को मापने के लिए, आपको पहले सीखना चाहिए कि नैनोस्केल के साथ वस्तुओं को कैसे स्थानांतरित किया जाए। आधुनिक जांच सूक्ष्मदर्शी में, जांच प्रतिधारण की सटीकता 0.001 नैनोमीटर है! यदि किसी औद्योगिक रोबोट में लगभग एक मीटर के आयामों के साथ गति की सटीकता होती है, तो एक जोड़तोड़ में सुई के साथ, वह कई नैनोमीटर के व्यास के साथ एक चक्र खींच सकता है। फिक्शन, संक्षेप में।

सौभाग्य से, वहाँ एक रास्ता है - पीजोइलेक्ट्रिक तत्व। स्वयं के माध्यम से करंट के संचरण के आधार पर, ऐसे तत्वों का आकार "नैनोडीफिसेस" में भिन्न होता है। एक त्वरित और प्रत्यक्ष सादृश्य तापमान विस्तार है। यदि हम धातु को गर्म करते हैं, तो यह आकार में बदल जाता है, अदृश्य रूप से आंख तक, लेकिन इंजीनियरिंग संरचनाओं के लिए विशेष रूप से। एक "पाई" में एक ही संपत्ति है, लेकिन एक विद्युत प्रवाह के साथ।

यह पता चला है कि अगर हम इस तरह के एक तत्व को जांच देते हैं, 1 माइक्रोन की दूरी तक एक माइक्रोस्कोप खींचते हैं, तो "पाई" के माध्यम से वर्तमान करें - हम एक और 0.99 सुक्ष्ममापी को पार करेंगे और सतह के पास होंगे, आवश्यकतानुसार! समस्या हल हो गई है। हम मापना शुरू कर सकते हैं।

माप और नई चुनौतियाँ

जांच माइक्रोस्कोपी में कई माप मोड हैं:
एक ब्रैकट सतह के साथ स्कैन करते समय, हम वर्तमान को बढ़ाते हुए जांच को बढ़ा सकते हैं (टनलिंग प्रभाव को कम करने के लिए) या इसे मजबूत करने के लिए कम कर सकते हैं। इस प्रकार, हम ऊंचाई के आधार पर एक निरंतर चालू मोड के लिए प्रयास करते हैं। सुई में हमेशा सतह के साथ अभिसरण का एक स्तर होता है, अर्थात हम नमूने को ध्यान से "महसूस" करते हैं।

और हम सुई की ऊंचाई को ठीक कर सकते हैं और इसे केवल क्षैतिज दिशाओं में स्थानांतरित कर सकते हैं, वर्तमान में परिवर्तन पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं। यह एक निरंतर ऊंचाई मोड है। यह सुविधाजनक है यदि नमूना ऊंचाई में पर्याप्त रूप से समान है - हम सतह के समानांतर "चालू" और वर्तमान डेटा ले सकते हैं।


विभिन्न मोड में सतह के साथ काम करने की योजना।

एक तरह से या किसी अन्य, हम हमेशा एक वस्तु की ऊंचाई निर्धारित कर सकते हैं।

लेकिन इसकी चौड़ाई, या वैज्ञानिक दृष्टि से, पार्श्व आकार कैसे मापें? जैसा कि आप जानते हैं, यह पिछली तस्वीर की तरह विशाल पहाड़ियों के बारे में नहीं है, लेकिन वस्तुओं के बारे में कुछ नैनोमीटर आकार का है।

यह टेबल पर हमारा नैनोबोक कैसा दिखता है।


और यहाँ ब्रैकट की नोक के आगे एक ही वस्तु है।

यह उचित है कि जब जांच बाईं ओर चलती है, तो गेंद पक्ष से जांच को छूने लगेगी, और नीचे से नहीं। एक चिकनी चढ़ाई शुरू होती है, अधिकतम तक पहुंचती है (जब गेंद बिल्कुल जांच की नोक के नीचे होती है), फिर एक चिकनी वंश। क्या यह स्पष्ट है कि हमें पहाड़ी की एक चिकनी वक्र (समन्वय पर उठाई गई जांच की ऊंचाई की निर्भरता) मिलेगी, जो स्पष्ट रूप से ऊंचाई को दिखाती है, और चौड़ाई नैनो-वस्तु के आकार और मोटाई की परवाह किए बिना धब्बा है?
इस प्रकार, हम केवल पार्श्व आकार का अनुमान लगा सकते हैं, लेकिन निर्धारण की सटीकता ऊंचाई माप की तुलना में बहुत कम है।

निष्कर्ष

बेशक, अभी भी कई सूक्ष्मताएं और बारीकियां हैं जो गैर-विशेषज्ञों के लिए विशेष मूल्य की नहीं हैं। जायजा लेते हैं।

एसटीएम के लाभ:

• माप सटीकता 0.1 - 10 एनएम है (मैं इंटरनेट पर डेटा नहीं ढूंढ सका, लेकिन यह नोटबुक से बहुत दूर है। मैं थोड़ा गलत हो सकता हूं, मैं स्मृति से संकेत देता हूं)।
• नमूने पर कोई प्रत्यक्ष प्रभाव नहीं हैं (सतह को नुकसान न करें, अन्य तरीके इतने वफादार नहीं हैं)।

एसटीएम के नुकसान:

• यह केवल प्रवाहकीय नमूनों को मापता है (इसलिए, अक्सर सभी प्रकार के ऑर्गेनिक्स को सोने के साथ "देखने" के लिए छिड़का जाता है)।
• बहुत लंबा समय (मुझे याद है कि प्रयोगशाला में 40 मिनट तक बैठे रहते हैं, जबकि एक छोटे से क्षेत्र को कई दसियों माइक्रोमीटर मापते हैं। माप का समय जितना लंबा, उतना सटीक और बेहतर चित्र)।
• पार्श्व आकारों की कमजोर परिभाषा।

एसटीएम स्थापना की तस्वीर। इंटरनेट पर कीमत पता करना इतना आसान नहीं है, लेकिन कॉन्फ़िगरेशन के आधार पर, रूबल के संदर्भ में 6 शून्य पर ध्यान केंद्रित करें।

विधि के आधार पर सभी स्कैनिंग जांच सूक्ष्मदर्शी (एसपीएम) सतह पर जांच के संपर्क के प्रकार का उपयोग करते हैं।

अगले लेख में, मैं एसटीएम के प्राकृतिक विकास और गुरुत्वाकर्षण बलों से कैसे लाभ उठाता हूं, क्यों जांच में उतार-चढ़ाव होता है, और छोटे कोणों को मापने में कठिनाई क्या है।

अंत में खूबसूरत तस्वीर को पकड़ो: