Лекция проф. А.Л.Суворова.
Москва, Узкое, 21-23 мая 2002 г. Российский семинар «Автоионная и автоэлектронная микроскопия: история, достижения, современное состояние, перспективы».

В прошлом году исполнилось пятьдесят лет с того знаменательного события, когда человек впервые смог увидеть, разрешить с помощью нового микроскопа с необычными принципами, единичный атом. Сделал это, как известно, проф. Э.Мюллер [1], создав свой уникальный прибор — автоионный микроскоп. Несомненная уникальность автоионного микроскопа, помимо прочего, состояла и в относительной простоте его практической реализации: стеклянная колба с двумя металлическими вводами, полупрозрачным электропроводящим покрытием и флуоресцирующим экраном; игольчатый образец; жидкий азот; обыкновенная система вакуумной откачки; натекатель изображающего газа (водорода или гелия). И никаких систем фокусировки, никаких сложнейших дорогостоящих линз (точнее — полное отсутствие и фокусировки, и линз!), никаких других прецизионных деталей и элементов. Этот результат был тем более ошеломляющим, что он был получен «на фоне» уже созданной и активно совершенствуемой (в основном за счет усложнения и удорожания) электронной микроскопии, позволившей увидеть отдельные атомы лишь спустя еще почти двадцать лет [2]. При чем, если в случае автоионной микроскопии атомарное разрешение получается достаточно просто, в нормальном режиме работы, то для электронной микроскопии достижение атомарного разрешения до сих пор сопряжено со значительными техническими трудностями и во многих современных, весьма дорогостоящих приборах, не предусмотрено. Этот факт весьма точно был оценен Р.Фейнманом в его лекциях [3]: «Ионный микроскоп впервые снабдил человечество средством видеть атомы. Замечательное достижение, да еще полученное с таким простым прибором».

Поистине бесценным «подарком» для методики автоионной микроскопии оказалось существование в природе явления испарения поверхностных атомов электропроводящих материалов, а также десорбции атомов, загрязняющих поверхность изучаемых образцов, в сильных электрических полях [4]. Открытое непосредственно с помощью создаваемого и совершенствуемого автоионного микроскопа, это явление предоставило в руки исследователей уникальную возможность не только очищать поверхность изучаемого игольчатого образца и полировать ее, делая атомно-гладкой и атомно-чистой, но и контролируемым образом последовательно, один за другим, удалять многие поверхностные атомные слои, получая и регистрируя изображение каждого «обнаженного» полем слоя с атомарным разрешением.

Таким образом, в настоящее время имеется два типа родственных приборов и, условно говоря, две соответствующие им близкие методики: автоионная микроскопия (сама по себе, без атомного зонда) и атомно-зондовая автоионная микроскопия. При этом, если автоионный микроскоп так и остался, в принципе, весьма простым и относительно дешевым прибором, то томографический атомный зонд — сложнейший и крайне дорогостоящий прибор, включающий в себя и уникальный позиционно- чувствительный детектор ионов, и наносекундную импульсную электронику и многое, многое другое. Добавим к этому, что если изготовление простого автоионного микроскопа в физической лаборатории практически не представляет серьезных технических проблем, то создание высокочувствительного автоионного микроскопа с атомным зондом, ввиду своей чрезвычайной сложности и огромной стоимости силами одного коллектива исследователей практически не реализуемо. В качестве показательного примера укажем, что созданный в Руанском Университете в 1993 году и до сих пор со вершенствуемый и модернизируемый там томографический атомный зонд не был воспроизведен своими силами ни в одном другом исследовательском центре мира, и только выпущенные французской фирмой Камека несколько его экземпляров закуплены и успешно эксплуатируются всего несколькими центрами в Европе и Азии.

Естественно, что уникальные возможности автоионной микроскопии очень быстро привлекли к себе внимание многих исследовательских групп во всем мире. Шестидесятые и семидесятые годы прошедшего века стали свидетелями настоящего шквала публикаций результатов работ, выполненных с помощью автоионной микроскопии. С огромной скоростью методика распространялась (точнее — предпринимались успешные или безуспешные попытки ее распространения) на все новые и новые области знаний, неуклонно расширялся спектр подвластных методике материалов. Начиная с 1952 года в мире стали проводиться (за редким исключением, ежегодные) Международные симпозиумы по полевой эмиссии. Создано Международное общество по полевой эмиссии, курирующее вопросы, связанные с теоретическими и экспериментальными исследованиями процессов в сильных электрических полях, использованием и развитием методик автоэлектронной, автоионной, атомно-зондовой автоионной и, в последние годы, в некоторой степени, сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии [13, 14], прикладные тематики.

Однако к началу девяностых годов активность «чисто» авто- ионномикроскопических исследовании заметно спала, хотя целый ряд групп продолжает плодотворно работать здесь и сегодня. При этом, объективности ради, будет уместно отметить, что несмотря на уникальные возможности, автоионная микроскопия так и не получила такого широкого распространения в мире науки и техники, как, например, микроскопия электронная или, в последнее десятилетие, сканирующая зондовая микроскопия. В значительной степени это связано со спецификой методики, ее существенной «академичностью».

Появление атомно-зондовой автоионной микроскопии вызвало, пожалуй, существенно меньший «бум», во всяком случае пик наивысшей активности здесь оказался смещенным во времени от момента создания методики гораздо дальше, нежели это имело место в автоионной микроскопии. По-видимому, его вершина была достигнута в начале девяностых годов, и ощутимого спада до сих пор не наблюдается. Более того, он и не прогнозируется.

Сегодня исследования с помощью автоионной микроскопии и атомно-зондовой автоионной микроскопии продолжаются, и сравнить их активность и плодотворность весьма затруднительно. Более того: на первый взгляд крайне странным и нелогичным представляется само разделение этих двух методик. Действительно, кажется совершенно очевидным, что атомно-зондовая авто ионная микроскопия включает в себя все без исключения области, в которых используется «чисто» автоионная микроскопия и, кроме того, дополнительно еще и те, которые связаны с ее масс-спектрометрической спецификой. Однако если проанализировать многочисленные публикации, это совершенно не так. В силу объективных и, отчасти, субъективных причин, такое разделение, по-ви димому, все же существует; детально этот вопрос был рассмотрен автором в [15].

В то же время, обсуждая, с одной стороны, определенное разделение автоионной и атомно-зондовой автоионной микроскопии, следует, с другой стороны, признать, что по значительному ряду признаков и причин автоионную микроскопию невозможно рассматривать отдельно даже от микроскопии автоэлектронной [16-19], так же как логично объединять рассмотрение процесса автоионизации с тремя другими процессами, имеющими место в сильных электрических полях, а именно с автоэлектронной эмиссией, испарением полем и десорбцией полем. Одним из косвенных подтверждений сказанному служит тот факт, что очень многие ученые, использовавшие в своих исследованиях (или развивавшие) автоионную микроскопию, обращались и к микроскопии автоэлектронной, реализуемой, как известно, в одном и том же приборе. Более того, многие из них пришли в автоионную микроскопию из микроскопии автоэлектронной.

Цель настоящей лекции состоит, как это следует из ее названия, в освещении четырех взаимосвязанных аспектов автоионной и, отчасти, автоэлектронной микроскопии: исторического, научного, географического и философского. При этом основное внимание будет уделено развитию исследований в указанных областях в бывшем Советском Союзе и, особенно, в представляемом автором Институте теоретической и экспериментальной физики, тогда как зарубежные исследования будут затронуты лишь частично и вскользь. Хотелось бы также под черкнуть, что, в соответствии с тематикой и направленностью проводимого Семинара, главный упор будет сделан на историю исследований. Если же в изложение вкрадутся ошибки или не точности, автор заранее просит его извинить: этот факт только подтвердит актуальность и справедливость нашей общей попытки написать, пока не поздно, свою историю.

Если судить по первым пуб ликациям в области автоионной микроскопии у нас в стране, то, по-видимому, первыми, кто обратился сначала к автоэлектронной и затем, позже, к автоионной микроскопии (либо сразу к последней), были И.В.Буров, Р.И.Гарбер, Е.И.Гиваргизов, А.П.Комар, В.А.Кузнецов, В.И.Макуха, Г.А.Месяц, И.М.Михайловский, А.Г.Наумовец, Л.П.Потапов, И.Л.Сокольская, Н.Н.Сюткин, Т.А.Ту марева, В.Н.Рожанский, Г.Н.Фурсей, Б.М.Царев, В.Н.Шредник, Г.Н.Шуппе и др. Поскольку я не обладаю точной информацией о времени начала постановки автоэлектронно или автоионно- микроскопических исследований в той или иной организации, точном времени начала проведения исследований тем или иным специалистом, и, кроме того, поскольку большая точность тут, на мой взгляд, и не нужна (ведь, по большому счету, важно не время, когда тот или иной ученый начал свои исследования в той или иной области науки; важно то, чего этот ученый достиг, что он сделал, и только тут фактор времени уже важен, поскольку он определяет приоритет), я расставил перечисленных ученых просто по алфавиту. Подчеркну лишь, что все они являются пионерами, лидерами и энтузиастами рассматриваемых методик.

С энтузиазмом приступив к созданию разборного стеклянного автоионного микроскопа, я прежде всего познакомился с аспирантом МФТИ В.А.Кузнецовым, а также В.Н.Шредником и Г.Н.Фурсеем из Ленинграда, детально у них проконсультировался, попытался воспринять хотя бы часть их опыта. Валерий Андреевич Кузнецов вскоре стал не только коллегой, с которым мы выполнили немало совместных исследований и с которым я опубликовал свои первые научные статьи [20-22], но и моим другом. Он, фактически, научил меня выделять из многочисленных результатов наиболее суще ственные, научил писать научные статьи, скорректировал мой взгляд на многое в нашей жизни, можно сказать облегчил мне в будущем решение многих проблем. Его безвременная, неожиданная, скоропостижная кончина в 1999 году оказалась для нас, его коллег, всех, кто начинал свою деятельность в одно время с ним, страшным ударом.

В декабре 1966 года первый автоионный микроскоп ИТЭФ был собран и успешно запущен, были получены первые автоионные изображения (рис.1). Произошло это в комнате 10 Главного корпуса, в полуподвале, поздно вечером; для того, чтобы увидеть и сфотографировать микроскопическое изображение требовалась темнота, которую имевшиеся на окнах легкие шторы не обеспечивали. И хотя качество первых изображений оставляло желать лучшего, а их ничтожная яркость на флуоресцирующем экране требовала использовать при фотографировании многоминутные экспозиции, первая страница ультрамикроскопии в ИТЭФ была открыта. С тех пор в ИТЭФ получены и обработаны десятки тысяч изображений (рис.2), сняты фильмы из жизни атомов, на атомарном уровне детально изучены многие процессы, происходящие в различных материалах при их облучении и отжиге.

В 1970 году, после кончины А.И.Алиханова, группа Г.М.Кукавадзе, куда входила и небольшая «подгруппка» автоионной микроскопии, перешла в лабораторию Ю.Г.Абова. Невозможно преувеличить роль Юрия Георгиевича в развитии наших работ в ИТЭФ, в укреплении наших позиций в Институте и вне его. Он не только всячески поддерживал нас, но и принимал активное участие в самой работе, в обсуждении результатов, в выработке философии проводимых исследований. К тому времени наш коллектив включал, помимо Г.М.Кукавадзе и меня, А.Ф.Бобкова, Б.Я.Кузнецова, С.Н.Шевкова и О.Г.Уткину. Мы много работали, дружно отдыхали, имели кучу бытовых проблем, но жили при этом вдохновенно и беззаботно, соответственно своему молодому возрасту и свойственному молодости оптимизму.

В 1968 году В.А.Кузнецов познакомил нашу группу с Игорем Владимировичем Буровым, работавшим в то время в лаборатории тугоплавких и редких металлов Института металлургии им. А.А.Байкова АН СССР. Возглавлял лабораторию Е.М.Савицкий, известный ученый и организатор науки. Помимо многого другого, Е.М.Савицкий проводил в своем Институте ежегодные всесоюзные совещания по этой тематике. На совещаниях присутствовали и выступали многие «автоионщики» Москвы, поскольку именно тугоплавкие металлы и сплавы были (и остались) наиболее удобными объектами исследования для методики. С И.В.Буровым и его сотрудниками мы провели несколько весьма успешных исследований, в том числе и с использованием автоэлектронной микроскопии (см., например, [24]). Как уже было сказано выше, в те годы мы были веселыми и беззаботными, много и с удовольствием работали, умели по-настоящему расслабляться. Уход И.В.Бурова из жизни в 1998 году оставил еще один рубец на сердце его друзей, к которым относился и я...

Бывая часто в ИМЕТ, мы постепенно сблизились с лабораторией влияния облучения на материалы Л.И.Иванова. В ней работал мой сокурсник по МИФИ, талантливый ученый, к несчастью очень рано ушедший из жизни, Н.А.Махлин, Л.Н.Быстров, К.П.Гуров, позже туда пришли работать В.Т.Заболотный, В.П.Бабаев, другие молодые специалисты. С ними у нас возникло очень плодотворное сотрудничество, которое продолжается и сейчас. Вместе мы выполнили немало интересных исследований (например, [25]), разместили один из своих специальных автоионных микроскопов непосредственно на пучке протонного инжектора на энергию 140 кэВ [26], провели много эмпирических оценок и теоретических анализов [27-29].

Начиная с 1972 года в Советском Союзе было проведено несколько официальных форумов по автоионной микроскопии. Первый из них — школа по автоионной микроскопии в Мозжинке, под Москвой, второй — Всесоюзное совещание по автоионной микроскопии в Харькове в 1975 году; затем в Свердловске в 1982 году, на Валдае, около Новгорода в 1986 году, и, наконец, последнее — опять в Харькове в 1989 году.

Постепенно наша группа разрасталась, появились новые молодые сотрудники, прежде всего С.В.Зайцев и Н.Е.Лазарев. Мы познакомились и стали активно сотрудничать со многими учеными — экспериментаторами и теоретиками — из многих научно-исследовательских и учебных организаций страны. Учеными — ведущими специалистами в области радиационной физики конденсированной материи и реакторного материаловедения, кристаллографии, физики и химии твердого тела, ядерной физики. Контакты с ними нас во многом обогатили, помогли нам в поиске и реализации интересных и актуальных научных задач, в понимании возможности их практического использования.

С годами, постепенно, расширялись и наши интересы. Много оригинальных работ было выполнено в области компьютерного моделирования контраста автоинномикроскопических изображений образцов, содержащих дефекты различного типа. В ИТЭФ фактически было создано целое направление, связанное с использованием машинных расчетов для развития методики. «Застрельщиками», истинными энтузиастами его стали А.Г.Соколов и Т.Л.Разинкова. Отмечу, что Александр Георгиевич Соколов никогда не работал в ИТЭФ, никогда не занимался вопросами радиационной физики материалов или чем-либо близким к этому. Он — специалист по системам автоматического программирования, расчету и моделированию на ЭВМ больших интегральных схем. И мой старый (со школьной скамьи), верный и надежный друг. Как ни удивительно, но именно он увидел в библиотеке книгу, на обложке которой была помещена компьютерная модель автоионного изображения. Именно он показал мне эту книгу (она была выпущена почти одновременно с публикацией первой модели). И именно он предложил мне попробовать смоделировать автоионные изображения самим. Здесь хочется еще отметить, что развитие указанных работ шло (и, во многом, определялось) в ногу с самим появлением и развитием компьютеров. Наши первые модели автоионных изображений были построены вручную, по выданным большими ЭВМ координатам (см. рис. 5 [30]), а первая автоматическая распечатка модели рассматривалась нами как серьезное достижение [31]. Несколько позже мы охватили моделирование некоторых процессов, определяющих формирование поверхности исследуемых образцов, контраст соответствующих им автоионных изображений [32, 33]. Был выпущен первый в мире атлас компьютерных моделей контраста автоионных изображений образцов с дефектами [34], подготовлен и опубликован первый фундаментальный обзор [35]. Более того, мы были первыми, кто распространил компьютерное моделирование контраста микроскопических изображений и на микроскопию автоэлектронную (рис. 6, [36]).

Удивительно плодотворное взаимодействие сложилось у нас несколько позже с коллективом М.И.Гусевой и Ю.В.Мартыненко из Института термоядерного синтеза РНЦ «Курчатовский Институт». С ними мы выполнили несколько оригинальных работ по подпороговому и низкоэнергетическому распылению конструкционных материалов — кандидатов для использования в создаваемом реакторе термоядерного синтеза [41,42]. Были детально исследованы и процессы развития каскадов атомных смещений, подвижности точечных дефектов и т.п. Часть из этих работ гармонично вошла в цикл наших исследований, связанных с определением энергии миграции межузельных атомов как в «чистом виде», так и в связанном состоянии — в гантелях с атомами примесей [43]. Наличие такой информации тесно связано с решением проблемы распухания материалов при облучении; поэтому практический аспект указанных работ был не менее весом и очевиден, чем научный. Важнейшую роль в выполнении этих исследований сыграл наш коллега из Санкт-Петербургского Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН, мой большой друг Юрий Владимирович Трушин. Именно ему принадлежит сама идея проводить подобные исследования (анализировать кинетику выхода межузельных атомов на поверхность предварительно облученных образцов в процессе их изохронного отжига), именно он создал и соответствующую теорию, позволяющую извлечь из экспериментальных данных уникальную информацию [45-47].

Выше я уже сказал о наших контактах со многими ведущими отечественными специалистами во многих областях науки и техники. Возвращаясь к этому хочу назвать имена таких ученых, как Ю.Н.Сокурский, А.М.Паршин, Г.Б.Федоров, В.Ф.Зеленский, И.М.Неклюдов, Б.Н.Гощицкий, Ю.В.Гуляев, Д.М.Скоров, А.Н.Орлов, В.Н.Рожанский, В.Л.Инденбом, И.А.Наскидашвили, Л.С.Топчан, Ш.Ш.Ибрагимов, B.C.Карасев, и многих, многих других. Некоторые из них стали моими близкими друзьями. Это, прежде всего, безвременно ушедший из жизни пять лет назад, крупный ученый и замечательный человек, неистребимый оптимист и душа всех компаний, Вячеслав Владимирович Кирсанов. Это уже упоминавшиеся мной Ю.В.Трушин и Р.З.Бахтизин, это А.Г.Залужный из МИФИ (сейчас, правда, научная общественность уже не знает наверняка, откуда он — из МИФИ или из ИТЭФ), это Ю.Н.Зуев из РФЯЦ ВНИИТФ в Снежинске, это В.В.Сагарадзе из Института физики металлов УрО РАН в Екатеринбурге.

В то же время, начиная примерно с 1990 года, резко возросли контакты теперь уже российских (а не советских) ученых с зарубежными коллегами. Тесные отношения установились теперь уже не у группы, а у разросшегося коллектива ультрамикроскопических исследований ИТЭФ (освоившего, помимо автоионной и атомно-зондовой и микроскопию сканирующую туннельную, и атомно-силовую) с группами атомно-масштабной микроскопии из Оак-Риджской национальной лаборатории, США (руководитель М.Миллер), Корнельского Университета, США (руководитель Д.Сейдман), Чалмерского технического университета в Гетеборге, Швеция (руководитель Х.О.Андрен), Руанского университета, Франция (руководитель Д.Блаветт), Университета Оксфорда, Великобритания (руководитель Дж.Смит) и Университета Суррея, Великобритания (руководитель Р.Форбс), Института материаловедческих исследований Тохоку Университета в Сендае, Япония (руководитель Т.Сакурай), Института Фрица-Хабера в Берлине, Германия (руководитель Н.Вандерка), Венского Технического Университета, Австрия (руководитель Й.Миттерауэр) и ряда других.

В 1996 году очередной ежегодный Международный симпозиум по полевой эмиссии был впервые проведен в России, в Москве. Его проведение явилось признанием серьезных: заслуг и успехов отечественных ученых в развитии и использовании авто-ионномикроскопических исследований. Симпозиум был проведен с большим размахом. В его работе участвовали лидеры или представители практически всех организаций, где проводятся исследования по рассматриваемой тематике. Работе Симпозиума в Москве предшествовало проведение очередной Международной конференции по вакуумной микроэлектронике в Санкт-Петербурге. Как и в предшествующие годы, многие ученые участвовали в работе обоих этих форумов, весьма близких по научной тематике и рассматриваемым практическим проблемам. Труды указанных форумов опубликованы, соответственно, в [48] и [49].

Не все они, к сожалению (к сожалению руководителей среднего и выше возраста, а по существу, может, в этом имеются и положительные аспекты) остаются в Институте, не все, покидая его, продолжают заниматься наукой. Но большинство из них, и работавших ранее, и работающих сейчас, вносят в наше общее дело определенный вклад, участвуют в строительстве фундамента нашей области науки. Поэтому не могу не назвать имен молодых ученых, успешно поработавших или продолжающих успешно работать в нашей области. Это М.А.Козодаев, Д.Е.Долин, Т.В. Аладжиков, Г.Г.Кузяхметов, М.О.Попов, О.Н.Макеев, А.В.Карпов, И.А.Голутвин, Н.А.Носикан, А.С.Ширяев, Д.М.Успенский, И.А.Кабанов, Е.Н.Скороходов, А.М.Грехов, А.В. Андрюшина, О.А.Шабалина, А.А. Алеев, Т.С.Балашов, А.Б.Тарасенко и др.