16. Zondli Nanoelektronika. Skanlovchi zondli mikroskopiyaning umumiy tamoyillari. Skanlovchi tunnel mikroskopi (stm). Stmning tadqiqotlarda qo‘llanilishi

№16. Zondli Nanoelektronika. Skanlovchi zondli mikroskopiyaning umumiy tamoyillari. Skanlovchi tunnel mikroskopi (STM). STMning tadqiqotlarda qo‘llanilishi.
Endigina dunyoga kelgan chaqaloq ham olamni o‘rganishga astoydil kirishadi. Bunda u ma’lumot olishning o‘ziga xos usullaridan: “ko‘rish”, “tegish”, “ta’mini tatib ko‘rish” va hakozolardan foydalanadi. Inson paydo bo‘libdiki, to XVII asrning boshlarigacha bu usullar, inson tomonidan olam haqidagi ma’lumot olishning yagona usuli hisoblanadi. Fizika fanining, xususan optika bo‘limining rivojlanishi va birinchi teleskoplar va mikroskoplarning yaratilishi inson ko‘rish imkoniyati chegarasidan ancha ichkariga o‘tishga imkon yaratdi. Inson qanchalik o‘zining kashfiyotchiligi bilan g‘ururlanmasin, baribir shuni tan olish kerakki, uning juda ko‘p erishgan yutuqlari asosida tabiatda “kuzatilgan” u yoki bu usul yotadi. Xususan, olimlar ichida eng ommabop asbob hisoblangan mikroskop haqida fikr yuritaylik. Darhaqiqat, inson ko‘zi muayyan ajrata olish qobiliyatiga ega bo‘lgan tabiiy optik sistemadir. Ajrata olish qobiliyati deyilganda, kuzatilayotgan ob’ekt qismlarini farq qila olish darajasi tushuniladi. Eng yaxshi ko‘rish masofasi bo‘lgan 25 santimetrda, normal ko‘zning maksimal ajrata olish qobiliyati 0,1 - 0,2 mmni tashkil etadi. Mikroorganizmlar, o‘simliklar va hayvonlarning hujayralari, kristall mikrosturukturalari va shu kabilarning o‘lchamlari esa bu miqdordan ancha kichik. Shu sababli bunday ob’ektlarni optik mikroskoplarsiz kuzatish va o‘rganish mumkin emas.
Mikroskop (grekchadan “mikros” - kichik, va “skopeo” - ko‘rish) - qurollanmagan ko‘z bilan ko‘rib bo‘lmaydigan ob’ektlarning kattalashtirilgan tasvirini olish uchun mo‘ljallangan asbob bo‘lib, ko‘pchilik fanlarning rivojlanishiga, ayniqsa, o‘z vaqtida biologiyaning rivojlanishiga revolyusion ta’sir ko‘rsatgan. Mikroskopda tasvirning kattalashuvi o‘z shakliga ko‘ra yorug‘lik nurini fokuslovchi yoki yoyuvchi shisha linzalar orqali o‘tgan nurning sinishi hisobiga yuzaga keladi. Bu jarayon yaqqol namoyon bo‘ladigan eng sodda asbob yassi qavariq linzadan tashkil topgan oddiy lupadir.
Dastlabki mikroskoplar 1609 - 1610 yillarda Galiley tomonidan yasalgan. Mikroskop ikkita linzalar sistemasidan - okulyar va ob’ektivdan tashkil topgan. Namuna yaqinida joylashgan ob’ektiv ob’ekt tasvirini kattalashtiradi, kuzatuvchi ko‘ziga yaqin joylashgan okulyar esa tasvirni yana bir bor kattalashtiradi. Namuna odatda juda yupqa qilib, kesilgan holatda olinadi va tushayotgan yorug‘likda ko‘rinadi. Shuning uchun predmet stolining tagida kondensor deb ataluvchi maxsus linzalar sistemasi joylashtiriladi. Kondensor yorug‘likni namunaga yig‘ib beradi, undan pastroqda joylashgan ko‘zgu esa lampaning yorug‘ligini namunaga yo‘naltiradi. Shularning hisobiga mikroskopning optik sistemasi ko‘rinuvchan tasvir hosil qiladi. Quyida 1 - rasmda mikroskopning ishlash sxemasi keltirilgan.
B u yerda, 1 – yorug‘lik manbai, 2 – kollektor, 3 – maydonli diafragma, 4 – oyna, 5 – apperturali diafragma, 6 – kondensor, 7 – preparat, 7^I – preparatning ob’ektiv orqali shakllanadigankattalashgan haqiqiy oroliq tasviri, 7^II – preparatning okulyarda kuzatiladigan kattalashgan yakuniy mavhum tasviri, 8 – ob’ektiv, 9 – ob’ektivning chiqish belgisi, 10 – okulyarning maydonli diafragmasi, 11 – okulyar, 12 – ko‘z.
XVIII yuz yillikdan boshlab, asosan mikroskopiyaning rivojlanishi mikroskop tuzilmasining mexanik qismlarini mukamallashtirish yo‘lidan bordi. Linzalarni silliqlash texnologiyasining mukammallashuvi, XIX asrning boshlaridayoq mikroskoplarning 1000 marta kattalashtirib bera olishini ta’minladi. Mikroskoplarni ommaviy tarzda ishlab chiqarilishining boshlanishi, ishlab chiqaruvchilar o‘rtasidagi raqobatni keltirib chiqarib, asboblarning arzonlashuviga sabab bo‘ldi va mikroskop kundalik laboratoriya asbobiga aylandi. Mikroskoplardan na faqat tadqiqotchilar va vrachlar, hattoki havaskorlar va talabalar foydalanishiga ham imkon yaratildi. Shu davrdan boshlab, tadqiqotchilar tomonidan kashfiyotlar birin ketin kashf qilina boshlandi. Shu jihatdan italyan tabiatshunos olimi Felichche Fontanning mashhur iborasini eslab o‘tish joiz. U “... mikroskopga har bir kishi qarashi mumkin, biroq faqat unchalik ko‘p bo‘lmagan odamlargina ko‘rgan narsasi haqida to‘g‘ri hukm chiqara oladi” degan edi. A. Levenguk oqovadan olingan suv tomchisini kuzatar ekan, birinchi bo‘lib sodda hujayralarni ko‘rdi, tadqiqotchiga nafaqat ularning tuzilishini, balki harakatlanish usullari va hattoki ko‘payishini kuzatish ham nasib etdi. U birinchi bo‘lib qizil qon tomchilarini ifodalab berdi.
1773 yilda, A.Levengukning birinchi kuzatishlaridan keyin 100 yil o‘tgach, bakteriyalarni mikroskopda yuqori darajada kuzatgan daniyalik zoolog O.F.Myuller ba’zi bakteriyalarning shaklini ifodalab bera oldi. Mikroskoplarning ommaviy qo‘llanilishi o‘pka, jigar, buyrak, taloqlarning mikroskopik tuzilishini ifodalab berishga va hayvonlar turli organlarining mikrosturukturasini batafsil o‘rganishga imkon yaratdi. M.Malpigi tomonidan kapillyarlarning kuzatilishi V.Garveyning qon aylanishi doiralari ta’limotini to‘ldirdi. Ya.Svammerdam hashoratlarning tuzilishini, ularning rivojlanishini o‘rgandi. Bu misollar yangi asboblarning yaratilishi fan va texnologiyaning rivojlanishiga ta’sir etishini, bu sohadagi yutuqlar bir - biri bilan chambarchas bog‘lanishga ega ekanligini yana bir bor isbotlaydi. Levenguk zamonidagi optik mikroskoplardan zamonaviy optik mikroskoplarning kattalashtirilishi 300 dan 1500 gacha oshgan bo‘lsada, ajrata olish qobiliyatini yanada oshirish yo‘lida o‘tib bo‘lmas nazariy to‘siq- “Reley chegarasi” turibdi. Ingliz fizigi Jon Reley XIX asrning 70 - yillarida bayon qilgan prinsipga ko‘ra mikroskoplarning chegaraviy ajrata olish qobiliyati ob’ektni yoritayotgan nurning yarim to‘lqin uzunligidan katta bo‘la olmaydi. Masalan, agar ob’ektning to‘lqin uzunligi λ = 650 nm bo‘lgan qizil lazer bilan yoritilsa ajratish chegarasi 325 nm bo‘ladi. Bunday to‘siqning yuzaga kelishi yorug‘lik difraksiyasi hodisasi bilan tushuntiriladi. Ya’ni, hattoki ideal holatdagi nuqtaning tasviri ham, ko‘zda nuqta bo‘lib qabul qilinmaydi, chunki difraksiya natijasida bu nuqta amalda ma’lum diametrli yorug‘ dog‘, atrofi bir necha birin ketin keladigan oq-qora halqalar bilan o‘rab olingan tasvir ko‘rinishida ifodalanadi. Agar ikkita yorug‘ nuqtalari bir biriga juda yaqin joylashgan bo‘lsa, ularning difraksion tasvirlari bir - biri bilan qoplanadi va natijada yorug‘lik taqsimoti murakkab bo‘lgan tasvir yuzaga keladi. Shunday qilib eng yuqori ajarata olish qobiliyatiga erishish uchun eng qisqa to‘lqin uzunlikli yorituvchi nurdan foydalanish zurur ekan. Bu esa ultrabinafsha (280 - 300 nm)li mikroskoplarning yaratilishiga olib kelib, uning yordamida 150 - 170 nm o‘lchamli ob’ektlarni kuzatish imkoni tug‘ildi. Ammo, ultrabinafshali mikroskoplar oddiy mikroskoplarga qaraganda ikki barobar ajrata olish qobiliyatiga egaligi bilan ustun bo‘lsada, ularning bitta jiddiy kamchiligi bor. Ultrabinafsha nur bioob’ektlarni nobud qiladi, shuning uchun bunday mikroskoplar biotexnologik tadqiqotlar uchun yaramaydi.

Nanoob’ektlarni o‘rganish uchun mavjud optik mikroskoplarning ajrata olish qobiliyati yetarli emas. Shu sababli, 1932 yilda yorug‘lik nuri o‘rniga elektronlar oqimidan foydalanish g‘oyasi ilgari surildi. Kvant fizikasidan ma’lumki, elektronlarning to‘lqin uzunligi, fotonlarga nisbatan yuz barobar kam. Elektron mikroskoplarning yaratilish tarixi predmetlar yondashishiga asoslangan yutuqning yorqin namunasidir. Bunda mustaqil rivojlanayotgan fan va texnikaning sohalari birlashib ilmiy tatqiqotlarning yangi qudratli asbobini yaratdi. Klassik fizikaning yuqori cho‘qqisi elektromagnit maydon nazariyasi hisoblanadi. Bu nazariya yorug‘lik nurini elektromagnit maydonning tarqalishi kabi deb tushuntirdi. To‘lqin optikasi yorug‘lik mikroskopiyasida difraksiya hodisasini, tasvirni shakllanish mexanizmini va ajrata olish qobiliyatiga ta’sir yetuvchi omillarni tushuntirib beradi. Kvant fizikasi elektronlarning o‘ziga xos korpuskulyar xossaga ega ekanligini ko‘rsatadi. Bir qarashda, bu alohida mustaqil taraqqiyot yo‘llari elektron optikasining rivojlanishi va o‘tgan asrda muhim kashfiyotlardan biri bo‘lgan elektron mikroskop yaratilishiga olib keldi. Bizning ko‘rishimiz asosida ob’ektdan qaytgan yorug‘lik to‘lqinlardan ko‘z to‘rchalarida tasvir shakllanishi yotadi. Agar nur ko‘zga tushishdan oldin mikroskopning optik sistemasi orqali o‘tsa, biz kattalashgan tasvirni ko‘ramiz. Elektron mikroskopda g‘altakning magnit maydoni yig‘uvchi yoki sochuvchi linza kabi ta’sir qiladi. Magnit maydonini konsentratsiyalash uchun, g‘altak maxsus nikel - kobalt qotishmasidan tayyorlangan va ichki qismida tor tirqish qoldirilgan magnit “zirh” bilan qoplangan bo‘ladi. Bunday tarzda magnit maydoni Yerning magnit maydonidan 10 -1000 ming marta kuchli bo‘lishi mumkin. Afsuski, bizning ko‘zimiz to‘g‘ridan-to‘g‘ri elektron nurni qabul qila olmaydi. Shuning uchun elektronlar tushganda o‘zidan yorug‘lik chiqaradigan lyuminessent ekrandan elektronlarda mujassamlashgan tasvirni ifodalash uchun foydalaniladi. Bunday usul elektron nur trubkali monitor va ossillograflarda ham qo‘llaniladi. Elektron mikroskoplarning xilma - xil juda ko‘p turlari mavjud. Ular ichida eng keng tarqalgani rastrli elektron mikroskopdir (REM). Uning ishlash tarzini tushunish uchun o‘rganilayotgan ob’ektni oddiy televizorda qo‘llaniladigan elektron nur trubkasidagi ekran bilan elektronlar manbasi orasiga joylashtirish kifoya. Bunday mikroskopda elektronlarning nozik dastasi (dastaning diametri 10 nm ga yaqin) ob’ektni gorizontal qatorlar bo‘yicha, nuqtama - nuqta yugurib chiqadi va sinxron tarzda kineskopga signalni uzatadi.
Elektron mikroskoplarning eng asosiy kamchiligi - ishlashi uchun to‘liq vakuum sharoiti zarurriyatidir, chunki mikroskop kamerasida biron bir gazning atomi bo‘lsa, u ionlashib natijalarga jiddiy ta’sir ko‘rsatadi. Bundan tashqari elektronlar biologik ob’ektlarga halokatli ta’sir qiladi va shu sababli biotexnologiyaning ko‘pchilik sohalaridagi tadqiqot ishlarida ularni qo‘llab bo‘lmaydi. Elektr maydoni bilan tezlashtirilgan elektronning to‘lqin uzunligi bir necha nanometrga teng. Agar biz molekula yoki atom panjarasini ko‘rmoqchi bo‘lsak bu sifat yaxshi hisoblanadi, ammo qanday qilib atom ichiga nazar tashlash mumkin, kimyoviy bog‘lanish nimaga o‘xshashini aniqlash, alohida kimyoviy reaksiya jarayonlarining kechishini kuzatish kabi muammolarni o‘rganishda bu yetarli emas. Shu sababli turli davlatlarda neytron mikroskopni yaratish ustida ish olib borilmoqda. Neytronlar odatda protonlar kabi yadro tarkibiga kiradi va elektronga nisbatan deyarli 2000 marta katta massaga ega. De Broyl nazariyasiga binoan neytronning to‘lqin uzunligi shuncha marotaba elektronnikidan qisqa, ya’ni pikometrlar - nanometrning mingdan bir ulushi tartibida. Demak, tatqiqotchilar ko‘z o‘ngida atom dog‘ ko‘rinishida emas, balki o‘zining butun go‘zalligi bilan namoyon bo‘lishi kerak. Neytron mikroskopning ijobiy ta’raflari bisyor, xususan, neytronlar vodorod atomida yaxshi aks yetadi va namunalarning qalin qatlamlariga osongina sizib kiradi. Ammo, bunday mikroskopni loyihalashtirish nihoyatda mushkul, chunki neytronlar elektr zaryadga ega emas, shuning uchun ularni magnit yoki elektr maydoni bilan boshqarib bo‘lmaydi va datchiklarda qayd qilish ham qiyin. Bundan tashqari neytronlarni atomlardan ajratib olish ham unchalik oson vazifa emas. Shuning uchun hozirgi davrda neytron mikroskopining protiplari hali mukamallik darajasidan ancha yiroq. Zamonaviy elektronikaning jadal sur’atlarda rivojlanishi, yarim o‘tkazgich mantiqiy elementlarning integratsiyalashuviga quyilgan talablar, ularning o‘lchamlarining kichiklashishi, sifatining yaxshilanishi, bo‘linish chegaralarining aniq diagnostika qilish zarurriyatini keltirib chiqardi. Yarim o‘tkazgichlar sirtida o‘z - o‘zidan tashkillanish jarayonlarining, molekular nur epitaksiyasining, nanolitografiyaning rivojlanishi yangi yarim o‘tkazgichlar texnologiyasining rivojlanishiga olib keldi. Rivojlangan davlatlar tomonidan nanotexnologiya, nanoelektronika kabi fanlarni rivojlantirish uchun milliardlab dollar sarflashayotganlari bejiz emas. Olimlarning bashoratiga ko‘ra, XX asrda kompyuterlar ma’lumotlarni boshqarish yo‘lida qanday revolyusiyani amalga oshirgan bo‘lsa, nanotexnologiya XXI asrda huddi shuningdek materiyani boshqarish bo‘yicha revolyusiyaga olib keladi. Nanotexnologiyaning rivojlanishi inson turmushini nihoyatda darajada o‘zgartirib yuboradi.
Hozirgi paytda skanlovchi zondli mikroskopiya (SZM) sirt atom tuzilishi va uning lokal xossalarini tadqiq qilishning eng samarador usullaridan biri bo’lib hisoblanadi. SZM sirtni juda o’tkir uchga ega bo’lgan qattiq jismli zond bilan skanlashga asoslangan. Zond uchi egrilik radiusi 10–20 nm, ba’zi qurilmalarda 10 nm dan ham kichik, zond uchidan tekshirilayotgan sirtgacha bo’lgan masofa esa turli qurilmalarda va turli ish maromlarida 0,2 nm dan 10 nm gacha oraliqda bo’lishi mumkin.
3D – vizuallashda sirt tasviri z(x,y) aksionometrik proektsiyada quriladi. Bunga qo’shimcha ravishda sirt ustidagi fazoning qandaydir nuqtasida joylashgan nuqtaviy manbaning sirtni yoritishi modellashtiriladi ( - rasm). SHu tufayli 3D tasvir sirtning lokal o’ziga xosliklari to’g’risidagi ma’lumotni o’zida saqlovchi shartli obrazdir.