Nanotechnológia: miért most? Néhány szó az alagútmikroszkópról

(Biró László P. 2003.01.17)

Könnyen belátható, hogy valamit atomról atomra összerakni nemcsak nehéz, de roppant időigényes feladat is, ezért nem valószínű, hogy a nanotechnológiai ipar majdani termékeit ezzel a módszerrel készítik majd. Mégis, ahhoz, hogy képesek legyünk valóban atomi szinten építkezni, előbb tapasztalatokat kell szereznünk arról, hogyan viselkednek az atomok, ha valaki legozni, vagy biliárdozni próbál velük. Ezeknek az ismereteknek a megszerzése felé nyílt meg az út a pásztázó alagútmikroszkóp (Scanning Tunneling Microscope, STM) megépítésével.
Az ember térbeli tájékozódásának képessége leginkább a látáshoz kötődik. Úgy tudunk valamit a célnak megfelelően összerakni, ha ismerjük működési elvét, és ha a megfelelő darabokat a megfelelő helyre illesztjük, azaz a térben helyesen összekapcsoljuk az alkatrészeket. A különlegesen kiképzett emberek képesek ugyan bekötött szemmel is összerakni jól ismert darabokból álló tárgyakat (például kommandós katonák a fegyverüket), azonban, mi hétköznapi emberek, még nyitott szemmel és ismerős alkatrészekből álló szerkentyűinket sem mindig tudjuk összerakni, ha óvatlanul szedtük szét őket. Fokozottan igaz ez, ha első alkalommal próbáljuk összeállítani a dobozban vásárolt könyvespolcot, vagy a gyerek karácsonyi legojával kell megküzdenünk. Pedig mindkét esetben rendelkezésünkre áll az összerakási segédlet. Könnyen belátható tehát, hogy a nanotechnológia vágyaink tartományában volt mindaddig, amíg nem álltak rendelkezésünkre azok az eszközök, amelyekkel láthatjuk az atomi méretű lego-alkatrészeket, a molekulákat.
A gondolat, hogy érdemes lehet valami újjal próbálkozni a kőkorszaki technológia helyett, amely a kőszerszámok pattintásával vette kezdetét, és amelynek alapelve a felesleges anyag eltávolítása, nem újkeletű.

Richard P. Feynman Nobel díjas amerikai fizikus, az Amerikai Fizikai Társaság 1959 évi közgyűlésén a There is Plenty of Room at the Bottom (Rengeteg hely van még odalent) című híres beszédében már megfogalmazta a következőket: Amiről beszélni szeretnék az a dolgok és folyamatok irányítása és ellenőrzése a nagyon kis méretekben. Amint ezt szóbahozom, az emberek arról kezdenek el beszélni, meddig jutott napjainkban a miniatürizálás. Körömméretű villanymotorokról beszélnek, és elmondják, hogy létezik egy eszköz, amivel a Miatyánk felírható egy gombostűfejre. De ez semmi, ez csupán a legkezdetlegesebb, tétova lépés abba az irányba, amelyről beszélni szeretnék. Egy sokkal parányibb világ található mélyebben. A 2000-dik évben, amikor majd visszatekintenek napjainkra, csodálkozni fognak, mi a magyarázata annak, hogy az 1960-as évekig senki sem indult e világ felé, és nem kérdéses, hogy egyetlen gombostű fejére felírható az Encyclopaedia Brittanica mind a 24 kötete.
Valóban érdemes feltenni a kérdést, mi tartotta vissza a tudományt attól, hogy biliárdozzon az atomokkal? Hiszen az anyag atomos szerkezetének elmélete és az elméletek helyességének kísérleti bizonyítékai már a XX század első felében rendelkezésre álltak. Többféle magyarázat is megfogalmazható, az egyik legkézenfekvőbb: sokat levon a biliárdozás élvezetéből, ha a játékos nem látja a golyókat és vaktában hadonászik a dákóval. Persze, az sem elhanyagolható nehézség, hogy nem egyszerű feladat olyan dákót előállítani, amivel meg lehet lökni egy atomot, úgy, hogy szomszédjai mozdulatlanok maradnak.

Az előbbiekben előreszaladtunk egy keveset, joggal tehető fel a kérdés: hogyan képes az STM tű képet előállítani? A válasz meglepően egyszerű: pásztázunk vele a minta felülete felett, ugyanúgy, ahogyan a TV képernyőjét, vagy számítógép monitorát pásztázza a képet előállító elektronsugár. Ha minden egyes képpontban megmérjük az alagútáram értékét, egy számítógép segítségével összerakhatjuk a leképezett felület háromdimenziós domborzati képét. Ezen a képen a minta síkjában sakktáblaszerű elrendezésben találjuk azokat a pontokat, amelyekben megmértük az alagútáramot, míg a mért alagútáram értékeket erre a síkra emelt, négyzet alapú hasábok magasságaként adhatjuk vissza. Egy másik ábrázolási mód alkalmazása esetén a nagyobb alagútáramnak megfelelő pontok világosabb árnyalatban jelennek meg a képen , míg a kisebb alagútáramnak megfelelő pontok sötétebb árnyalatban. Minél kisebb egy-egy négyzet oldalhosszúsága (egy képpont mérete), annál tökéletesebb a domborzat leképezése. Ebből rögtön következik, ha valóban jól akarjuk látni az egyatomos biliárdgolyót, akkor a négyzet oldalhosszúsága összemérhető kell legyen az atom átmérőjével, azaz, legalább 0.1 nanométer kell legyen a pásztázás egymást követő lépéseinek a finomsága. Mindhárom irányban, az asztal síkjában, azaz az egymásra merőleges X és Y irányokban, valamint az ezek által meghatározott síkra merőlegesen a Z tengely mentén is megvalósítható a megkívánt finomságú mozgatás a piezoelektromos anyagok segítségével. Ezek olyan anyagok, amelyek megváltoztatják méretüket az elektromos feszültség hatására, a méretváltozás mértéke pontosan szabályozható az alkalmazott feszültség nagyságával.

Az STM valóban alkalmas, az atomokkal való biliárdozásra, ennek igen látványos bizonyítékát adta az IBM kutatóinaknak munkája már 1990-ben. Addig lökdösték az STM tű segítségével a cseppfolyós hélium hőmérsékletére lehűtött nikkel egykristály felületén található xenon atomokat, amíg sikerül kialakítaniuk a cég logóját [2]. Ezzel bebizonyították, hogy valóban, képesek vagyunk arra, hogy egyetlen atomot oda helyezzünk, ahova előre elterveztük, azaz elkezdhetjük tanulni a nanotechnológia ábécéjét.

Könnyen kezelhető, olcsó alagútmikroszkóp

http://www.nanosurf.com/stm.htm


Hivatkozott irodalom

1. G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel, "Surface studies by scanning tunneling microscopy", Phys. Rev. Lett. Vol. 49, pp. 57-61, (1982).

2. D.M. Eigler, E.K. Schweizer, �Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope�, Nature Vol. 344, pp. 524-526 (1990).