Ученые кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ «МИСиС» разработали материал на основе ниобата лития, который повысит точность сканирующих зондовых микроскопов и позволи проводить сканирование наноразмерных объектов при температуре до 450°С. Об открытии сообщает пресс-служба университета.

Сканирующие зондовые микроскопы позволяют не просто исследовать объекты на наноразмерном уровне, но и с высокой точностью манипулировать ими. Поверхность изучаемого образца «прощупывают» миниатюрной иглой — кантилевером. Чтобы получить точное изображение, кантилевер нужно перемещать с высокой точностью, на расстояния порядка единиц нанометров. Для этой цели используются специальные устройства — актюаторы, работающие на основе пьезоэлектрического эффекта. При приложении к нему электрическое напряжение деформирует кристалл, к которому прикреплена игла. Меняя напряжение, можно двигать иглу и, линия за линией, сканировать таким способом поверхность.

В большинстве сканирующих зондовых микроскопов в качестве пьезоэлектрика используются керамические трубки на основе цирконата-титаната свинца. Этот состав считается лучшим, несмотря на то, что точность кантилевера зависит от изменения температуры в лаборатории во время измерения. Сотрудница кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ «МИСиС» Юлия Терехова предложила вместо ЦТС-керамики использовать для перемещения кантилевера новый материал, разработанный на кафедре материаловедения полупроводников и диэлектриков — бидоменные монокристаллы ниобата лития.

Сам ниобат лития известен довольно давно — первые образцы были получены в 60-годы прошлого века независимо друг от друга учеными СССР и США для применения в лазерах и других оптических устройствах. Кроме выдающихся оптических характеристик ниобат лития проявляет также пьезоэлектрические свойства и при этом не обладает присущими ЦТС-керамике недостатками.

Пьезоэлектрические характеристики ниобата лития на порядок хуже, чем у пьезокерамики, что до недавнего времени не позволяло использовать его в сканирующих зондовых микроскопах: слишком большое напряжение надо было прикладывать к ниобату, чтобы переместить иглу кантилевера на достаточное расстояние. Но группа ученых из НИТУ «МИСиС» смогла решить эту проблему. Тонкую кристаллическую пластину ниобата лития отжигают так, что в ней формируются две одинаковые по объему области (домены), которые при приложении электрического поля деформируются по-разному. Такие кристаллы называют бидоменными. Правильно подобрав геометрию и ориентацию пластины, удалось получить значительные перемещения кантилевера при небольших управляющих напряжениях.

Благодаря применению кристаллов из бидоменного ниобата лития изображения стали более четкими. Кроме того, появилась возможность исследовать поверхности при температурах, недостижимых для ЦТС-керамики. Она перестает быть пьезоэлектриком уже при 150 — 200°С, а ниобат сохраняет свойства до 450°С, что позволяет изучать изменения сканируемой поверхности в процессе нагрева, например.

По условию конкурса «У.М.Н.И.К.», который Юлия Терехова выиграла со своим проектом, она будет работать над ним в течение двух лет. На данный момент она работает над созданием лабораторного образца, а затем будет проработка его деформационных, резонансных и температурных характеристик. Итогом исследования должно стать готовое устройство, способное заменить устаревшие системы перемещения в сканирующих зондовых микроскопах.