Сканирующая туннельная микроскопия.

В 1978 году лауреаты Нобелевской премии Г. Бинниг и Г. Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп.

Сканирующий туннельный микроскоп представляет собой при­бор для изучения поверхности твердых тел, основанный на скани­ровании острием, находящимся под потенциалом, поверхности образца на расстоянии до 10 Ангстрем и одновременном измерении тун­нельного тока между острием и образцом.

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) заключается в измерении электронного тока обусловленного кванто­во-механическим туннелированием электронов. С этой целью ис­пользуется проводящий зонд, который подводится к исследуемой по­верхности на расстояние возникновения туннельного тока. Такую операцию можно осуществить с помощью пьезодвигателя, изменяю­щего свои размеры под действием управляющего напряжения (рис. 1.26).

При приложении напряжения Us на промежутке острие—образец возникает туннельный ток, который поддерживается постоянным за счет цепи обратной связи. Одновременно цель обратной связи управляет положением острия по координате z с помощью пьезод­вигателя Рz. В системе обратной связи формируется разностный сиг­нал, который усиливается и подается на исполнительный элемент.

Рис. 1.26. Схема туннельного микроскопа: Рx, Рy, Pz — пьезодвигатели; ОУ — операционные- усилители.

На основе полученного сигнала исполнительный элемент при­ближает или отодвигает острие от поверхности, нивелируя разност­ный сигнал. Точность удержания промежутка острие—поверхность может составить 0,01 Ангстрема. При перемещении острия по координатам х и у система обратной связи отрабатывает изменения разностного сигнала на исполнительных элементах Рx и Рy так, что сигнал оказывается пропорционален рельефу исследуемой поверхности.

Изображение поверхности формируется следующим образом. Ос­трие движется над образцом вдоль, например, оси x. Величина сиг­нала на исполнительном элементе Рz, пропорциональная рельефу поверхности, записывается в память компьютера. Так получается строчная развертка.

Затем острие возвращается в исходную точку, переходит на сле­дующую строку по координате у, и процесс сканирования повторя­ется до заполнения кадра строками.

В этом случае говорят о кадровой развертке. Записанный при строчном и кадровом сканировании сигнал обратной связи обраба­тывается компьютером, а изображение строится с помощью средств компьютерной графики.

Существуют два режима формирования изображений поверх­ности: в режиме постоянного туннельного тока и в режиме постоян­ного среднего расстояния.

При исследованиях в режиме постоянного туннельного тока (рис. 1.27а) острие перемешается вдоль поверхности. В процессе растрового сканирования изменение напряжения на z-электроде за­писывается в память в виде функции Uc = f(x,y).

Напряжение на z электроде Uc = f(x,y) с большой точностью повторяет рельеф поверхности и после обработки средствами компь­ютерной графики адекватно изображает поверхность образца. Полу­ченное изображение представляет собой физический рельеф, который отражает геометрию поверхности.

В случае однородного (напри­мер, монокристаллического) образ­ца регистрируемый рельеф поверх­ности максимально приближается к геометрическому.

Рис. 1.27. Два способа формиро­вания изображения поверхности: режим постоянного туннельного тока (а); режим постоянного сред­него расстояния (б).

Режим постоянной высоты удоб­нее использовать при исследовании гладких поверхностей (рис. 1.27б). В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии не­скольких ангстрем. Изображение по­верхности можно получить путем из­мерения туннельного тока в процессе сканирования поверхности и его компьютерной обработки. Этот режим позволяет реализовать высокие скорости сканирования и высокую частоту получения изображений, а также позволяет наблюдать за динамикой процессов на поверхности.

Если острие заточить так, чтобы на его конце находился одиноч­ный выступающий атом или кластер атомов, размер которого мень­ше характерного радиуса острия, то можно получить пространствен­ное разрешение вплоть до атомного.

Туннелирование может проходит только между теми объектами, волновые функции которых пересекаются. Следовательно, атомное разрешение возможно получить только в том случае, если на острие иглы сформируется один атом.

Ска­нирующий метод туннельной микроскопии предназначен для визу­ализации атомов в элементарной ячейке. Этим методом можно определять расстояние вдоль поверхности с точностью 0,1 Ангстрема, однако он не позволяет определить расстояние между верхним и низлежащим слоями.

Метод, с одной стороны, дает прямую картину расположения атомов на по­верхности, а с другой стороны, он не предназначен для полного кристаллографического описания поверхности. С развитием метода сканирующей туннельной микроскопии связывают дальней­шие перспективы исследования поверхности.

Дата добавления: 2015-10-28