Самая маленькая таблица Менделеева

На фото — самая маленькая Периодическая система химических элементов, выполненная методом электронно-лучевой литографии. Этот сувенир, частью которого она является, сотрудники Ноттингемского университета подготовили к визиту Юрия Цолаковича Оганесяна — специалиста в области экспериментальной ядерной физики, создателя сверхтяжелых элементов (один из которых, 118-й оганесон, назван в его честь). Кроме таблицы на микросувенире изображены портреты Д. И. Менделеева и Ю. Ц. Оганесяна.

Микрофотография всего сувенира, подаренного Ю. Ц. Оганесяну сотудниками Исследовательского центра нано- и микромасштабных объектов Ноттингемского университета. Таблица расположена между портретами Д. И. Менделеева и Ю. Ц. Оганесяна. Изображение с сайта chemistryworld.com

Размер этой микроскопической Периодической системы — 14×7 микрометров. Размер атомных символов — около 100 нанометров, толщина линий, с помощью которых они отображены, не превышает 30 нанометров. Новая таблица примерно в шесть раз меньше Периодической системы, созданной в том же Ноттингемском университете в 2010 году и внесенной в книгу рекордов Гиннеса как самая маленькая таблица Менделеева. Прежний рекордсмен был выгравирован ионным пучком (см. Ion beam) на волосе профессора Ноттингемского университета Мартина Полякоффа — специалиста по зеленой химии и участника научно-популярного проекта The Periodic Table of Videos (кстати, именно он стал инициатором визита Оганесяна в университет 13 марта 2019 года). Размер таблицы на волосе (см. видео ее создания) составляет 90×46 микрометров (толщина человеческого волоса — от 17 до 181 микрометров). Побить свой собственный рекорд сотудникам Исследовательского центра нано- и микромасштабных объектов удалось с помощью электронно-лучевой литографии.

Периодическая система, выгравированная на волосе Мартина Полякоффа, девять лет была самой маленькой Периодической системой. Изображение с сайта exchange.nottingham.ac.uk

Создание микрокартинки разделяется на несколько этапов. Сначала нужно нанести рисунок на полимерную пленку (резист), покрывающую кремниевый кристалл. Делается это с помощью высокоэнергетического пучка электронов диаметром всего несколько нанометров, что позволяет «рисовать» или «писать» очень тонкими линиями. Пучок электронов меняет степень растворимости полимера-резиста в растворителе (его называют проявителем). После нанесения изображения поверхность кристалла очищается от резиста с помощью проявителя, который растворяет те места полимера, которые провзаимодействовали с пучком электронов, оставляя в нем окна — открытые участки кремниевой подложки. Через эти окна и наносится изображение.

Объемные портреты Менделеева и Оганесяна создавали, используя резист на основе полиметилметакрилата. Этот тип резиста формировал трехмерную структуру, параметры которой зависели от продолжительности облучения электронным пучком. Когда форма была готова, портреты на кремниевую подложку переносились методом реактивного ионного травления: химически активная плазма удаляла с кремниевой подложки разное количество атомов кремния в зависимости от толщины и свойств резиста. В результате получились узнаваемые портреты, хотя Дмитрий Иванович здесь больше похож на представителя расы клингонов из вселенной «Звездного пути».

Периодическую систему, расположенную между портретами, получили методом вакуумного напыления. Этот подход похож на трафаретную печать. С помощью электронного пучка в резисте были проделаны отверстия, повторявшие очертания символов химических элементов. Затем на кремний осаждали атомы золота, переведенные в газообразное состояние с помощью термического испарения в вакууме. Атомы золота связывались только с доступной поверхностью кремния — той, над которой не было «защиты» из полимерного резиста. После удаления резиста и очистки кремниевого слоя с буквами и портретами от загрязнений памятный сувенир был готов.

Изображение с сайта chemistryworld.com.

Аркадий Курамшин