Сканирующая туннельная микроскопия.

Исторически первым в семействе зондовых микроскопов появился сканирующий туннельный микроскоп. Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле.

Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя методами. По методу постоянного туннельного тока зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжения на Z - электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции Z= f (х,у), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности по методу постоянной высоты Z = const. В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (рис. 43 (б)). В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени.

Существенным недостатком всех методов СТМ является ограничение по материалам, пригодным для исследования: они должны быть электропроводящими, так как между зондом и образцом должен протекать ток. Поэтому туннельная микроскопия может быть применена только для исследования металлов, сплавов, сверхпроводников и полупроводников.

Ограничения на использование метода накладываются, во-первых, условием проводимости образца (поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/см²), во-вторых, условием «глубина канавки должна быть меньше её ширины», потому что в противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей. Но это только основные ограничения. На самом деле их намного больше. Например, технология заточки иглы не может гарантировать одного острия на конце иглы, а это может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков. Кроме ситуации глубокого вакуума, во всех остальных случаях мы имеем на поверхности осаждённые из воздуха частицы, газы и т. д. Технология грубого сближения также оказывает колоссальное влияние на достоверность полученных результатов. Если при подводе иглы к образцу мы не смогли избежать удара иглы о поверхность, то считать иглу состоящей из одного атома на кончике пирамиды будет большим преувеличением. Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования.

С помощью СТМ, приложив несколько большее, чем при сканировании, напряжение между поверхностью объекта и зондом, можно добиться того, что к зонду притянутся один или несколько атомов, которые можно поднять и перенести на другое место. Прикладывая к зонду определенное напряжение, можно заставить атомы двигаться вдоль поверхности или отделить несколько атомов от молекулы.

Принципы работы:

Исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств проводится с помощью специальным образом приготовленных зондов в виде игл. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах по порядку величин составляет 0,1 - 10 нм. В сканирующем туннельном микроскопе пьезодвигатели с высокой точностью (до 0,1 A) приближают атомно-острую металлическую иглу к поверхности образца, который, естественно, не должен являться изолятором для возможности регистрации туннельного тока. Между иглой и поверхностью прикладывается напряжение от десятых долей до единиц вольта. На расстоянии порядка 10 ангстрем между атомами иглы и образца начинает протекать туннельный ток. Туннельный ток имеет квантовую природу, а его величина существенно зависит от расстояния между иглой и поверхностью образца: так, при напряжении между иглой и образцом около

1 В и сближении зонда с поверхностью с 15 до 8 ангстрем (примерно в 2 раза) ток изменяется от единиц пикоампер до десятков наноампер (в 10 00 раз). Иглы-зонды обычно изготавливают из металлической проволоки (например, W, Pt–Ir, Au). Процедура подготовки атомарно острой иглы включает в себя предварительную обработку иглы ex situ (такую, как механическая полировка, скол или электрохимическое травление) и последующую обработку in situ в сверхвысоковакуумной (СВВ) камере. Острая игла микроскопа помещается настолько близко к исследуемой поверхности, что волновые функции наиболее близкого атома иглы и атомов поверхности образца перекрываются. Это условие выполняется при величине промежутка игла-образец 0,5–2,0 нм.

Таким образом, сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) включает следующие элементы:

· зонд (иглу),

· систему перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам,

· регистрирующую систему.

Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от величины тока между иглой и образцом, либо перемещения иглы по оси Z. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор.

Дата добавления: 2015-09-07