Наномир-5. Инструменты и бытовая наномеханика

Не так давно в киосках «аудио-видео» появились DVD-диски с явно не лицензионными тематическими коллекциями фильмов - до 12 полнометражных фильмов на одном носителе. В основном это даже не двухслойная запись, допускаемая для данного формата, а всего лишь двухсторонние диски типа DVD-10 емкостью 9,4 Гб с ухудшенным качеством записи (сжатия видеофайлов) по сравнению с «однофильмовыми» дисками. Тем не менее, именно производство подобного «ширпотреба» требует специальной механической аппаратуры с наноразмерным разрешением. Переход от ставших обычными лазерных CD (расстояние между дорожками записи 1,6 микрона) к формату DVD (расстояние между дорожками 0,74 микрона или 740 нанометров) можно назвать выходом нанотехнологии на бытовой уровень.

При производстве таких дисков обязательно используется сканирующие зондовые микроскопы - совсем молодые и очень важные инструменты нанотехнологии.

Немецкий физик Эрнст Август Руска создал первый эффективный электронный микроскоп в 1939 году, а Нобелевскую премию за эту работу получил в 1986 году, т.е. через 47 лет. Ему досталась тогда только половина премии, вторую половину получили тоже создатели микроскопа, но основанного на совершенно другом принципе.

Весной 1981 года два сотрудника Цюрихской лаборатории IBM - швейцарец Гейнрих Рорер и немец Герд Карл Бинниг впервые испытали сканирующий туннельный микроскоп. Во время движения острия иглы над поверхностью кристалла, состоящего из кальция, иридия и олова, они смогли измерить неровности высотой в один атом. В 1986 году (год получения Рорером и Биннигом Нобелевской премии) в лабораториях мира работали уже не менее 40 сканирующих туннельных микроскопов (СТМ), не содержащих ни одной традиционной оптической детали.

А в 1989 г весь мир обошла сенсационная фотография - слово IBM, выложенное из 35 атомов ксенона на монокристалле никеля. Для получения надписи был использован тоже сканирующий туннельный микроскоп. Таким образом, более 15 лет назад ученые получили возможность и наблюдать объекты наномира, и передвигать их в нужное место. Современные сканирующие микроскопы позволяют различать по вертикали над поверхностью размер около 0,01 нанометра (1/10 диаметра самого маленького атома водорода), по горизонтали - около 0,2 нанометров.

Сканирующий туннельный микроскоп позволяет исследовать нанообъекты только на электропроводной подложке.

В 1986 году Герд Бинниг изготовил сканирующий атомно-силовой микроскоп, который позволял «увидеть» любые объекты, над которыми двигалась игла датчика. В настоящее время создано целое семейство сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) - приборов, в которых исследуемая поверхность «прощупывается» (сканируется) специальной иглой-зондом, а результат регистрируется в виде туннельного тока (туннельный микроскоп), механического отклонения микрозеркала (атомно-силовой микроскоп), локального магнитного поля (магнитный силовой микроскоп), электростатического поля (электростатический силовой микроскоп) и т.п.

Наиболее приближенное к повседневной жизни применение СЗМ - контроль качества производства лазерных дисков форматов CD и DVD. Оригинал дисков с записью формируется на стеклянном диске, покрытом слоем фоторезиста - материала, изменяющего свою растворимость под воздействием лазерного луча. При обработке записанного оригинала растворителем на стекле возникает требуемый рельеф (дорожки из ямок с плоским дном), который методом гальванопластики переносится на никелевый оригинал (негатив). Последний может служить матрицей при мелкосерийном производстве, либо основой для снятия позитивных копий, с которых, в свою очередь, снимаются негативы для массового тиражирования. Затем выполняется штамповка методом литья под давлением: с негативной матрицы прессуется поликарбонатная подложка с рельефом, сверху напыляется отражающий металлический слой, который покрывается лаком.

"Болванки" записываемых дисков делаются по той же технологии, но между основой и отражающим слоем располагается слой органического вещества, темнеющего при нагревании под действием лазерного луча.

Предварительный рельеф (разметка) записываемых дисков тоже содержит метки кадров и сигналы синхронизации, записанные со сниженной амплитудой и впоследствии перекрываемые записываемым сигналом. Благодаря нанесенным дорожкам, расстояние между которыми сопоставимо с длиной волны видимого света, лазерные диски переливаются всеми цветами радуги. Это явление называется дифракцией света.

Контроль качества матриц, осуществляемый сканирующими зондовыми микроскопами, является важнейшей частью технологии. Кроме того, так как невозможно получить абсолютно идентичные на наноуровне матрицы для одного и того же информационного содержания диска, исследования серийных дисков с помощью СЗМ позволяют точно идентифицировать производителя и таким способом бороться с информационным пиратством.

А при первичной настройке используемых в научных лабораториях сканирующих микроскопов обязательным атрибутом стал кусочек отслужившего свое DVD - ширина между дорожками 740 нм служит своеобразным стандартом.

Таким образом, ребенок, ставящий в домашний проигрыватель диск с любимыми мультиками, и исследователь в лаборатории пользуются одной и той же нанотехнологией.

Еще один пример растущего бытового применения сверхточной наномеханики - мультимедиапроекторы, изготовленные на базе технологии DLP (Digital Light Processing). Их основой является матрица с сотнями тысяч и миллионами зеркал (от 508800 зеркал при разрешении изображения SVGA 848x600 до 1310720 зеркал для SXGA: 1280x1024), каждое из которых имеет размеры примерно 4х4 микрона. В процессе работы проектора зеркала отклоняются микро-, а точнее наноприводами на 10 угловых градусов с огромной частотой, формируя яркое, контрастное и насыщенное изображение с частотой 60 кадров в секунду и разрешением 16 миллионов цветов. Такие проекторы применяются сейчас в кинотеатрах, для учебных лекций, презентаций и в проекционных телевизорах.