Туннельный электронный микроскоп. Сканирующий туннельный микроскоп

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) был сотворен в 1982 г сотрудниками исследовательского отдела компании IBM Г. Биннигом и Х. Рёрером. Он открыл очень перспективные способности научных и прикладных исследовательских работ в области нанотехники и явился первым техническим устройством, при помощи которого была осуществлена приятная визуализация атомов и молекул. За создание СТМ Г. Бинниг и Х. Рёрер в 1986 году были удостоены Нобелевской премии по физике.

Механизм работы СТМ заключается в последующем: к поверхности проводящего эталона на свойственное межатомное расстояние , составляющее толики нанометра, подводится очень тонкое железное острие (игла). При приложении меж прототипом и иглой разности потенциалов ~ 0,11В в цепи (рис.4.13) возникает ток, обусловленный туннелированием электронов через зазор меж ними.

Туннельный ток составляет ~110нА, т.е. имеет величину, которую полностью можно измерить экспериментально.

Так как возможность туннелирования через возможный барьер экспоненциально находится в зависимости от ширины барьера, то туннельный ток при увеличении зазора меж иглой и поверхностью эталона Z убывает по экспоненте и миниатюризируется приблизительно на порядок при увеличении Z на каждые 0,1 нм. Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния обеспечивает очень высшую разрешающую способность СТМ.

Повдоль оси Z, перпендикулярной к поверхности эталона, разрешающая способность СТМ составляет ~ нм, а повдоль осей X,Y, параллельных поверхности эталона, ~ нм. Перемещая иглу СТМ повдоль поверхности эталона, т.е. осуществляя сканирование поверхности, можно получать информацию о рельефе поверхности с атомным пространственным разрешением.

Есть два варианта режима работы СТМ: режим неизменной высоты и режим неизменного тока. При работе в режиме неизменной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над исследуемой поверхностью (рис. 4.3а). Туннельный ток при всем этом меняется и по этим изменениям просто может быть определен рельеф поверхности эталона.

При работе в режиме неизменного тока (рис. 4.3б) употребляется система оборотной связи, которая поддерживает неизменным туннельный ток за счет перемещения острия иглы в вертикальном направлении. В данном случае информация о рельефе поверхности выходит на основании данных о перемещении иглы.

Общая схема СТМ приведена на рис. 4.4.

При помощи системы грубого подвода и позиционирования игла СТМ подводится к исследуемой поверхности на расстояние ~ 0,1 мкм. Предстоящее перемещение иглы и исследование поверхности проводится при помощи специального сканирующего устройства. Это устройство сделано из пьезоэлектрика, т.е. вещества, способного изменять свои линейные размеры при приложении к нему электронного поля, и позволяет перемещать иглу СТМ над поверхностью эталона с очень высочайшей точностью.

Одним из более принципиальных узлов СТМ является игла (острие), в качестве которой употребляется узкая проволока из вольфрама, ванадия либо другого проводящего материала. Для улучшения черт кончика острия его подвергают химическому травлению. Опыты демонстрируют, что травление острия с радиусом кончика мкм фактически обеспечивает разрешение на атомном уровне.

Управление движением сканирующего устройства и контроль за работой системы оборотной связи осуществляется компом. С его помощью проводится запись результатов измерения, их обработка и визуализация исследуемой поверхности. Обычные результаты исследовательских работ, выполненные при помощи СТМ, приведены на рис. 4.16, на котором представлены изображения молекул , адсорбированных на поверхности кристалла меди. Размеры по осям приведены в ангстремах (м).

Принципиально отметить, что СТМ, в отличие от других электрических микроскопов, не содержит линз и, как следует, получаемое в нем изображение не искажается из-за аберраций. Не считая того, энергия электронов, формирующих изображение в СТМ, не превосходит нескольких электронвольт, т.е. оказывается меньше соответствующей энергии хим связи, что обеспечивает возможность неразрушающего контроля исследуемого эталона. Напомним, что в электрической микроскопии высочайшего разрешения энергия электронов добивается сотен килоэлектронвольт, что приводит к образованию радиационных изъянов.

В текущее время перспективны последующие области внедрения СТМ:

физика и химия поверхности на атомном уровне;
нанометрия — исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности, процессов зародышеобразования при росте пленок, процессов хим либо ионного травления, осаждения и т.д.;
нанотехнология — исследование и изготовка приборных структур нанометрового размера;
исследование макромолекул, вирусов и других био структур.

На рисунке 4.6 представлено изображение «квантового кораллового рифа” поперечником 14,3 нм, сформированного атомами Fe на кристалле Cu.

Рис. 4.6 Двумерная квантовая яма (электрические потенциальные поверхности).

Необходимо подчеркнуть, что способности СТМ выходят далековато за рамки чисто микроскопичных задач. С его помощью, к примеру, можно вынудить атомы передвигаться повдоль поверхности и собирать из их искусственные структуры нанометровых размеров.

Рис. 4.7 Микро-механическая сборка в СТМ (молекулы СО на платине).

Рис. 4.8 Микро-механическая сборка в СТМ (атомы ксенона на никеле).

Такие способности СТМ делают его многообещающим инвентарем при разработке и разработке нанотехники грядущего поколения, к примеру, квантового компьютера . Сканирующий туннельный микроскоп явился макетом целого семейства более совершенных сканирующих микроскопов.

На базе СТМ был сотворен сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ), который позволяет изучить непроводящие вещества, микроскоп на магнитных силах, дающий возможность учить магнитные характеристики поверхности.

Все произнесенное выше о СТМ позволяет сделать последующее заключение: «Принцип деяния СТМ так прост, а потенциальные способности так значительны, что нереально предсказать его воздействие на науку и технику даже наиблежайшего грядущего».

Туннельный эффектявляется принципиально квантовомеханическим эффектом, не имеющим аналога в классической физике, и потому представляет огромный интерес. Он основан на корпускулярно - волновом дуализме - двойственной природе элементарных частиц (рис. 5).

С точки зрения классической механики, очевидно, что никакое материальное тело, имеющее энергию E, не может преодолеть потенциальный барьер высотой V0 , если V0>E. Например, если принять за материальное тело мяч, а за потенциальный барьер – очень высокий бетонный забор, то понятно, что если кинуть мяч в сторону забора недостаточно высоко – так, что его энергии не хватит на перелет стоящего перед ним барьера, то он, ударившись о преграду, отскочит назад. Однако если в качестве материального тела рассмотреть электрон, то оказывается, что даже если высота потенциально го барьера выше, чем собственная энергия электрона, то он с определенной вероятностью может оказаться с другой стороны барьера, лишь незначительно изменив свою энергию, как если бы в “заборе” оказалась некая “дырка” или туннель. Это является следствием того, что электрону присущи как корпускулярные, так и волновые свойства. Будь электрон классической частицей, обладающей энергией E, он, встретив на своем пути преграду, требующую для преодоления большей энергии, должен был бы отразиться от этой преграды. Однако, будучи одновременно и волной, он проходит сквозь эту преграду, подобно тому, как рентгеновские волны свободно проходят сквозь материальные объекты.

Классическая частица, обладающая полной энергией E и находящаяся в потенциальном поле, может пребывать лишь в тех областях пространства, в которых ее полная энергия не превышает потенциальную энергию U взаимодействия с полем. Поскольку волновая функция квантовой частицы отлична от нуля во всем пространстве и вероятность нахождения частицы в определенной области пространства задается квадратом модуля волновой функции, то и в запрещенных (с точки зрения классической механики) областях волновая функция отлична от нуля.

Таким образом, над поверхностью любого проводника или полупроводника всегда наблюдается некоторое количество свободных электронов, “вышедших” за его пределы не в результате термоэлектронной эмиссии, а благодаря туннельному эффекту. Если взять два проводящих вещества, расположить их на расстоянии 0,5 нм друг от друга и приложить к ним сравнительно малую разность потенциалов (0,1_1 В), то между ними возникнет электрический ток, обусловленный туннельным эффектом, который называется туннельным током.

Если повторить тот же опыт, но к поверхности интересующего тела поднести острый предмет, например, очень тонкую иглу с кончиком в атом толщиной, то, проводя ею над изучаемым объектом (сканируя его поверхность) можно получать ин формацию о строении объекта на атомном уровне.

В туннельном сканирующем микроскопе система пьезокристаллов, управляемая компьютером, обеспечивает трехкоординатное перемещение металлического зонда на расстоянии порядка 0,1 HM от исследуемой поверхности. Между ней и зондом прикладывают напряжение около 1 В и регистрируют возникающий туннельный ток. Компьютер управляет вертикальным перемещением зонда так, чтобы ток поддерживался на заданном постоянном уровне, и горизонтальными перемещениями по осям c и у (сканированием). Воспроизводимое на дисплее семейство кривых, отвечающих перемещениям зонда, является изображением эквипотенциальной поверхности, поэтому атомы изображаются полусферами различных радиусов.

Достоинства метода сканирующей микроскопии: сверхвысокое разрешение (атомного порядка, 10-2 нм); возможность размещать образец не в вакууме (как в электронных микроскопах), а в обычной воздушной среде при атмосферном давлении, в атмосфере инертного газа и даже в жидкости, что особенно важно для изучения гелеобразных и макромолекулярных структур (белков, ДНК, РНК, вирусов).

Сканирующий зондовый микроскоп

Наиболее молодое и вместе с тем перспективное направление в исследовании свойств поверхности - сканирующая зондовая микроскопия. Зондовые микроскопы имеют рекордное разрешение - менее 0,1 нм Они могут измерить взаимодействие между поверхностью и сканирующим ее микроскопическим острием - зондом - и выводят трехмерное изображение на экран компьютера.

Методы зондовой микроскопии позволяют не только видеть атомы и молекулы, но и воздействовать на них. При этом - что особенно важно - объекты могут изучаться не обязательно в вакууме (что обычно для электронных микроскопов), но и в различных газах и жидкостях.

Изобрели зондовый - сканирующий туннельный микроскоп в 1981 году сотрудники Исследовательского центра фирмы ИБМ Г. Биннинг и X. Рорер (США) Через пять лет за это изобретение они были удостоены Нобелевской премии.

Биннинг и Рорер попытались сконструировать прибор для исследования участков поверхности размером менее 10 нм. Итог превзошел самые смелые ожидания: ученым удалось увидеть отдельные атомы, размер которых в поперечнике составляет лишь около одного нм. Очень тонкое металлическое острие - отрицательно заряженный зонд - подводится на близкое расстояние к образцу, тоже металлическому, заряженному положительно. В тот момент, когда"расстояние между ними достигнет несколько межатомных расстояний, электроны начнут свободно проходить через него - "туннелировать": через зазор потечет ток

Важное значение для работы микроскопа имеет резкая зависимость силы туннельного тока от расстояния между острием и поверхностью образца. При уменьшении зазора всего на 0,1 нм ток возрастет примерно в 10 раз. Поэтому даже неровности размером с атом вызывают заметные колебания величины тока.

Чтобы получить изображение, зонд сканирует поверхность, а электронная система считывает величину тока. В зависимости от того, как эта величина меняется, острие либо опускается или поднимается. Таким образом, система поддерживает величину тока постоянной, а траектория движения острия повторяет рельеф поверхности, огибая возвышенности и углубления (рис. 6).

Острие перемещает пьезосканер, который представляет собой манипулятор из материала, способного изменяться под действием электрического напряжения. Пьезосканер чаще всего имеет форму трубки с несколькими электродами, которая удлиняется или изгибается, перемещая зонд по разным направлениям с точностью до тысячных долей нанометра

Схема работы сканирующего туннельного микроскопа

Рабочим органом СТМ - зондом - служит токопроводящая металлическая игла. Зонд подводится к изучаемой поверхности на очень близкое расстояние (~0,5 нм) и при подаче на зонд постоянного напряжения между ними возникает туннельный ток.

При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой, равной средней работе выхода материалов:

Как известно из квантовой механики, вероятность туннелирования электрона (коэффициент прохождения) через одномерный барьер прямоугольной формы равна

где A 0 - амплитуда волновой функции электрона, движущегося к барьеру; At -амплитуда волновой функции электрона, прошедшего сквозь барьер; k – константа затухания волновой функции в области, соответствующей потенциальному барьеру; ΔZ - ширина барьера. Для туннельного контакта двух металлов константу затухания можно представить в виде

где m - масса электрона, ϕ * - средняя работа выхода электрона, h – постоянная Планка. При приложении к туннельному контакту разности потенциалов V между зондом и образцом появляется туннельный ток.

Информация о движении острия преобразуется в изображение поверхности, которое строится по точкам на экране. Участки разной высоты для наглядности окрашиваются в различные цвета.

В идеале на конце острия зонда должен находиться один неподвижный атом. Если же на конце иглы случайно оказалось несколько выступов, изображение может двоиться, троиться. Для устранения дефекта иглу травят в кислоте, придавая ей нужную форму.

Более подробно формирование изображения с помощью сканирующего туннельного микроскопа приведено на рис. 7.

Рис.7 . Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния (б)

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. 7 (б)). Сканирование производится либо при отключенной обратной связью (ОС), либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. 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. Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающий над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.

Рис. 8. Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе

С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до атомарного, что продемонстрировано многими исследовательскими группами на образцах из различных материалов.

С помощью туннельного микроскопа удалось сделать ряд открытий. Например, обнаружили, что атомы на поверхности кристалла расположены не так, как внутри, и часто образуют сложные структуры.

С помощью туннельного микроскопа можно изучать лишь проводящие ток объекты. Однако он позволяет наблюдать и тонкие диэлектрики в виде пленки, когда их помещают на поверхность проводящего материала. И хотя этот эффект еще не нашел полного объяснения, тем не менее его с успехом применяют для изучения многих органических пленок и биологических объектов - белков, вирусов.

Возможности микроскопа велики. С помощью иглы микроскопа даже наносят рисунки на металлические пластины. Для этого используют в качестве "пишущего" материала отдельные атомы - их осаждают на поверхность или удаляют с нее. Таким образом, в 1991 году сотрудники фирмы ИБМ написали атомами ксенона на поверхности никелевой пластины название своей фирмы - IBM. Букву "I" составили всего 9 атомов, а буквы "В" и "М" - 13 атомов каждую.

Атомно-силовые микроскопы (ACM)

Сканирование в контакте с образцом довольно часто приводит к его деформации и разрушению. Воздействие зонда на поверхность может быть полезным, например, при изготовлении микросхем. Однако зонд способен легко порвать тонкую полимерную пленку или повредить бактерию, вызвав ее гибель. Чтобы избежать этого, кантилевер приводят в резонансные колебания вблизи поверхности и регистрируют изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний, вызванных взаимодействием с поверхностью. Такой метод позволяет изучать живые микробы колеблющаяся игла действует на бактерию, как легкий массаж, не причиняя вреда и позволяя наблюдать за ее движением, ростом и делением

В 1987 году И. Мартин и К. Викрамасингх (США) предложили в качестве зондирующего острия использовать намагниченную микроиглу. В результате появился магнитно-силовой микроскоп.

Такой микроскоп позволяет разглядеть отдельные магнитные области в материале - домены - размером до 10 нм. Его также применяют и для сверхплотной записи информации, формируя на поверхности пленки домены с помощью полей иглы и постоянного магнита. Подобная запись в сотни раз плотнее, чем на современных магнитных и оптических дисках.

На самом деле, туннельный микроскоп, в отличие от привычного оптического, не дает в прямом смысле увеличенное изображение объекта. Удивительная трехмерная картинка с атомами – всего лишь интерпретация результатов взаимодействия иглы и поверхности образца, график, показывающий, как меняется ток при движении иглы параллельно поверхности.

На рис. 7 показано изображение, полученные в СТМ.

СТМ имеет одно существенное ограничение: объект исследования должен быть проводящим – металл или полупроводник, иначе не будет туннельного тока. Получается, что в туннельный микроскоп нельзя «рассмотреть» ни один изолятор, например алмаз. Пока осваивали туннельный метод, появилась новая идея: в 1986 году Биннинг предложил вариант микроскопа, названного атомно-силовым.

Лекция 7 (2 часа). Атомно-силовой микроскоп

Принципы действия атомно-силового и туннельного микроскопов практически одинаковы, только в отличие от туннельного работа атомно-силового микроскопа основана на использовании сил межатомных связей. На малых расстояниях (около 0,1 нм) между атомами двух тел действуют силы отталкивания, а на больших - силы притяжения.

В сканирующем атомно-силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. В качестве зонда в АСМ обычно используется алмазная игла. При изменении силы F, действующей между поверхностью и острием, пружинка, на которой оно закреплено, отклоняется, и это регистрируется датчиком. Величина отклонения упругого элемента (пружинки) несет информацию о рельефе поверхности.

В общем, туннельный и атомно-силовой микроскопы очень похожи, но у них есть одно важное отличие - конструкция иглы. В туннельном игла принципиально закреплена очень жестко и никогда не должна касаться поверхности, а в атомно-силовом обязательно на упругом подвесе (кантилевере) и может работать даже в прямом контакте с образцом. Для СТМ чем острее игла, тем лучше, а в атомно-силовом микроскопе слишком острая игла будет давать слишком маленький сигнал, который трудно зарегистрировать. Первое время кантилеверы для АСМ делали из золотой фольги с алмазным наконечником или из бытовой алюминиевой фольги с вольфрамовой проволочкой, а потом перешли на кремниевые, которые широко используются до сих пор. Колебания кантилевера регистрируют с помощью напыленного на него маленького, зеркальца.

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофером Гербером. В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце (рис. 7). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью.

По мере приближения иглы к поверхности ее атомы все сильней притягиваются к атомам образца. Сила притяжения будет возрастать, пока игла и поверхность не сблизятся настолько, что их электронные облака начнут отталкиваться электростатически. При дальнейшем сближении электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются на расстоянии между атомами около 0,2 нм.

Рис.11. Схематическое изображение зондового датчика АСМ

Качественно работу АСМ можно пояснить на примере сил Ван-дер-Ваальса.

Наиболее часто энергию ван-дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, аппроксимируют степенной функцией – потенциалом Леннарда-Джонса:

Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее

притяжение, обусловленное, в основном, диполь - дипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях. Параметр ro – равновесное расстояние между атомами, 0 U - значение энергии в минимуме, (рис.12).

Рис. 12. Качественный вид потенциала Леннарда – Джонса

Потенциал Леннарда-Джонса позволяет оценить силу взаимодействия зонда с образцом. Общую энергию системы можно получить, суммируя элементарные взаимодействия для каждого из атомов зонда и образца, (рис.12).

Рис. 13. К расчету энергии взаимодействия зонда и образца

Тогда для энергии взаимодействия получаем:

где n (r) S и n (r") P - плотности атомов в материале образца и зонда.

Соответственно сила, действующая на зонд со стороны поверхности, может быть вычислена следующим образом:

В общем случае данная сила имеет как нормальную к поверхности, так и латеральную (лежащую в плоскости поверхности образца) составляющие. Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный характер, однако основные черты данного взаимодействия сохраняются - зонд АСМ испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях и отталкивание на малых.

Лекция 8 (2ч.). Средства сканирования поверхности. Разновидности АСМ .

Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В атомно-силовой микроскопии для этой цели широко используются оптические методы (рис. 14).

Рис. 14. Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового датчика АСМ

Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение

полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а

отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. В качестве позиционно - чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.

Рис. 15. Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчика и изменением положения пятна засветки на фотодиоде

Основные регистрируемые оптической системой параметры - это деформации изгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (FZ ) и деформации кручения консоли под действием латеральных компонент сил (FL ) взаимодействия зонда с поверхностью. Если обозначить исходные значения фототока в секциях фотодиода через I01, I02, I03, I04 , а через I1, I2, I3, I4 - значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода ΔIi = Ii - I0i будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика АСМ. Действительно, разность токов вида

пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца (рис. 15 (а)).

А комбинация разностных токов вида

характеризует изгиб консоли под действием латеральных сил (рис. 15 (б)). Величина ΔI Z используется в качестве входного параметра в петле обратной

связи атомно-силового микроскопа. Система обратной связи (ОС) обеспечивает Δ I Z = const с помощью пьезоэлектрического исполнительного

элемента, который поддерживает изгиб консоли ΔZ равным величине ΔZ 0, задаваемой оператором

Рис. 16. Упрощенная схема организации обратной связи в атомно-силовом микроскопе

При сканировании образца в режиме ΔZ = const зонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z = f (x,y ). Пространственное разрешение АСМ определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонения консоли. В настоящее время реализованы конструкции АСМ, позволяющие получать атомарное разрешение при исследовании поверхности образцов.

Поскольку АСМ не требует, чтобы образцы были проводящими, он позволяет исследовать свойства проводников и изоляторов, молекул ДНК и других мягких материалов.

Сегодня СТМ и АСМ уже стали широко распространенными исследовательскими инструментами. Появилась целая индустрия, где можно найти всё: от игл и кантилеверов до сложных исследовательских комплексов. И тем не менее работа с туннельным микроскопом, как и 20 лет назад, остается уделом профессиональных физиков. Чтобы получить даже на фирменном СТМ за полмиллиона долларов изображение какого-нибудь необычного материала с разрешением в сотые доли ангстрема, потребуется немалое мастерство.

И все же туннельный микроскоп при достаточном умении и средствах не только наблюдать, но и создавать уникальные картины. Когда напряжение между иглой образцом и иглой несколько больше, чем в рабочем режиме туннелирования, атом образца (на самом деле ион) может «перескочить» на иглу. Сменив напряжение, можно заставить его «спрыгнуть» обратно. Если в промежутке между этими событиями игла сдвинулась, атом вернется уже на другое место. Подучается, что можно как угодно манипулировать атомами! Всё, что для этого нужно, - хороший туннельный микроскоп, охлажденный до нескольких градусов выше абсолютного нуля (чтобы атомы не разбегались под действием теплового движения), подходящая игла и масса терпения. Первыми продемонстрировали ловкость рук сотрудники IBM. Они выложили логотип своей фирмы атомами ксенона на поверхности никеля (рис. 17).

Рис. 17. Логотип IBM из атомов ксенона

С тех пор прошло уже больше 15 лет, но до сих пор такое развлечение могут себе позволить всего лишь несколько исследовательских групп в мире.

Атомно-силовая микроскопия оказалась настолько эффективной, что на ее основе были созданы другие специфические методики, позволяющие получать картины не только рельефа поверхности, но и многих других показателей. В частности, на сегодняшний день наиболее распространены следующие разновидности АСМ:

1. Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) в качестве зонда использует намагниченное острие. Его взаимодействие с поверхностью образца позволяет регистрировать магнитные микрополя и представлять их в качестве карты намагниченности.

2. Электро-силовой микроскоп (ЭСМ) - в нем острие и образец рассматриваются как конденсатор, и измеряется изменение ёмкости вдоль поверхности образца.

3. Сканирующий тепловой микроскоп регистрирует распределение температуры по поверхности образца. Его разрешение достигает порядка 50 нм, так как в меньших масштабах такая макроскопическая характеристика вещества как температура не применима.

4. Сканирующий фрикционный микроскоп "скребется" по поверхности, составляя карту сил трения.

5. Магниторезонансный микроскоп позволяет получать изображение спинов отдельных электронов, отслеживая реакцию поверхности на быстро изменяющееся магнитное поле зонда.

6. Атомно-силовой акустический микроскоп позволяет очень точно измерять модуль Юнга в каждой точке как мягких, так и твердых образцов. Одним из недостатков АСМ является невозможность изучить глубинную структуру образца - ведь зонд скользит по поверхности и не может заглянуть внутрь. Однако и это ограничение удалось обойти - ученые уже построили настоящий дизассемблер, названный трехмерным атомно-зондовым томографом, который сканирует небольшой участок, потом «выщипывает» слой толщиной в один атом и сканирует участок снова, записывая параметры каждого нового атома. Современные томографы успевают «выщипать» 20.000 атомов в секунду - т.е. 72 миллиона атомов в час.

Нанотехнология - это технология общего назначения, то есть она применима во всех сферах производства, как то в:

1. Материаловедении;

2. Авиации и космонавтики;

3. Электроники, компьютерных технологиях, робототехнике;

4. Промышленности;

5. Вооружении;

6. Медицине;

Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий по-тенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле (Рисунок 1).

В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояния в несколько ангстрем. При этом образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер, величина которого определяется, в основном, значениями работы выхода электронов из материала зонда и образца. При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой, равной средней работе выхода материалов:

Рисунок 1. - Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер в туннельном микроскопе. - амплитуда волновой функции электрона; - амплитуда волновой функции электрона, прошедшего сквозь барьер; ?Z - ширина барьера.

Как известно из квантовой механики , вероятность тунелирования электрона (коэффициент прохождения) через одномерный барьер прямоугольной формы равна

где - амплитуда волновой функции электрона, движущегося к барьеру; - амплиту-да волновой функции электрона, прошедшего сквозь барьер; K - константа затухания волновой функции в области, соответствующей потенциальному барьеру; ?Z - ширина барьера. Для туннельного контакта двух металлов константу затухания можно представить в виде

где m - масса электрона, - средняя работа выхода электрона, h - постоянная Планка.

При приложении к туннельному контакту разности потенциалов V между зондом и образцом появляется туннельный ток (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Энергетическая диаграмма туннельного контакта двух металлов. , - уровни Ферми зонда и образца

В процессе туннелирования участвуют, в основном, электроны с энергией в окрестности уровня Ферми. В случае контакта двух металлов выражении для плотности туннельного тока (в одномерном приближении) было получено в работе :

Где параметры и задаются следующими выражениями

При условии малости напряжения смещения (), выражение для плотности тока можно представить в более простом виде. Линеаризуя вторую экспоненту в выражении (2.4) по параметру, получаем

Наконец, пренебрегая членом по сравнения с, выражение для плотности тока можно записать следующим образом:

Поскольку экспоненциальная зависимость очень сильная, то для оценок и качественных рассуждений часто пользуются упрощенной формулой

в которой величина) считается не зависящей от изменения расстояния зонд-образец. Для типичных значений работы выхода () значение константы затухания k = 2 , так что при изменении?Z на величина тока меняется на порядок. Реальный туннельный контакт в СТМ не является одномерным и имеет более сложную геометрию, однако основные черты туннелирования, а именно экспоненцальная зависимость тока от расстояния зонд-образец, сохраняются также и в более сложных моделях, что подтверждается экспериментально.

Для больших напряжений смещения () из выражения (2.4) получается хорошо известная формула Фаулера-Нордгейма для полевой эмиссии электронов в вакуум:

Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния (2.9) позволяет осуществлять регулирования состояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. СТМ представляет собой электромеханическую систему с отрицательной обратной связью. Система обратной связи поддерживает величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне (), выбираемом оператором. Контроль величины туннельного тока, а следовательно, и расстояние зонд-поверхность осуществляется посредством перемещения вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента (Рисунок 3).

Рисунок 3. - Упрощенная схема организации обратной связи по туннельному току

Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя методами. По методу постоянного туннельного тока (Рисунок 4(а)) зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжение на Z-электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции, а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

Рисунок 4. - Формирование СТМ изображения поверхности по методу постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображение поверхности по методу постоянной высоты. В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (Рисунок 4(б)). Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуется очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени.

Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающей над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.

Рисунок 5. - Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе

Компания «Криотрейд инжиниринг» представляет комбинированный атомно-силовой / сканирующий туннельный микроскоп производства немецкой компании attocube .

Комбинированный микроскоп , объединяющий в себе атомно-силовой микроскоп, работающий в бесконтактном режиме и туннельный микроскоп, является очень универсальным инструментом исследования образцов. В отличие от , в микроскопе используется кварцевый камертонный резонатор с горизонтальным расположением, на одной ноге которого закреплена сверхтонкая заостренная вольфрамовая игла, играющая роль зонда. Такая конструкция микроскопа позволяет проводить исследования методом СТМ небольших проводящих участков на больших непроводящих образцах.

Одним из неоспоримых достоинств этого микроскопа является большой диапазон сканирования по сравнению с традиционными СТМ-микроскопами, поскольку в используется пьезосканер ANS , а не обычный пьезоэлемент. За счет этого существенно упрощается задача поиска области сканирования наноструктурированного образца. В обычных СТМ-микроскопах зачастую просто отсутствует возможность горизонтального позиционирования в макроскопических масштабах.

В АСМ-режиме миниатюрный пьезоэлемент возбуждает механические колебания кварцевого камертона на резонансной частоте. Это позволяет относительно быстро снять АСМ-изображение непроводящих областей образца в бесконтактном режиме и получить топографию поверхности всего образца. В СТМ-режиме игла электрически соединяется с усилителем тока/напряжения для измерения туннельного тока. Между иглой и образцом прикладывается напряжение смещения, которое вызывает туннельный ток, экспоненциально зависящий от расстояния между иглой и образцом. В режиме постоянной высоты сканирование происходит в плоскости, параллельной поверхности образца. В случае постоянной плотности электронных состояний образца, величина туннельного тока между зондом и образцом отражает топографию поверхности образца. Поскольку в этом режиме отсутствует необходимость подстройки расстояния между зондом и образцом, сканирование можно проводить на достаточно большой скорости. Однако поверхность образца при этом должна быть достаточно гладкой - любые неровности высотой 5 - 10 Å приведут к удару зонда о поверхность. В этом случае предпочтителен режим, в котором поддерживается постоянным туннельный ток. В этом режиме система обратной связи следит за величиной туннельного тока и постоянно подстраивает вертикальное положение иглы так, чтобы ток оставался постоянным. Это происходит за счет подстройки напряжения на Z-пьезоэлементе.

В дополнение к этим двум режимам СТМ, есть еще один режим исследования электронных свойств поверхности образца - сканирующая туннельная спектроскопия. Путем изменения напряжения смещения при постоянном расстоянии между зондом и образцом можно получать зависимости I/V. Более того, применяя метод синхронного детектирования, можно измерять туннельную проводимость dI/dV путем модуляции напряжения смещения и регистрации туннельного тока на этой же частоте. При этом можно показать, что dI/dV прямо пропорционально локальной плотности электронных состояний.

В отличие от классических сверхвысоковакуумных СТМ-микроскопов, предназначенных для in-situ исследований выращенных образцов, основное применение микроскопа - широкий спектр исследований наноструктур методом сканирующей туннельной спектроскопии.

Ключевые особенности и преимущества сканирующего туннельного микроскопа attoAFM/STM производства attocube

Сверхкомпактная беспрецедентно стабильная СТМ головка

Большой диапазон сканирования при криогенных температурах: 9 х 9 х 2 мкм

АСМ: сверхчувствительный неоптический кварцевый камертон с горизонтальным расположением

СТМ: работа при криогенных температурах, коаксиальные кабели с низкой емкостью для минимизации шумов

Сверхвысокое разрешение в бесконтактном режиме

Поиск и исследование областей мезоскопических наноструктур методами АСМ и СТМ

Сверхнизкий уровень шумов туннельного тока

Возможные опции:

Интерферометрические датчики смещения для сканирования образца с обратной связью, обеспечивающие точность позиционирования 1 нм
Система позиционирования образца с резистивными энкодерами, позволяющая задавать абсолютные координаты области сканирования в диапазоне 5 х 5 мм с повторяемостью 1 мкм
Система визуализации образца, состоящая из оптической схемы, ПЗС-камеры и светодиодной подсветки образца, позволяющая осуществлять визуальный контроль образца и зонда во время сканирования

Основные характеристики:


Общие характеристики
Тип микроскопа	Атомно-силовой микроскоп с кварцевым камертонным резонатором и СТМ-иглой
Совместимость	Возможность установки зондов NaugaNeedles
Режимы работы
Режимы сканирования	Бесконтактный
Стандартные методы	Атомно-силовая микроскопия, электростатическая силовая микроскопия, сканирующая затворная микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия, сканирующая туннельная спектроскопия
Компенсация наклона	Компенсация наклона плоскости сканирования по двум осям
Разрешение
Плотность шума по Z-координате	<16 пм/Гц 1/2
Разрешение по Z-координате	7,6 пм при температуре 4К и диапазоне сканирования 2 мкм
Шум туннельного тока	<40 фА/Гц 1/2 в полосе 7 КГц
Позиционирование образца
Общий диапазон перемещения	5 х 5 х 5 мм в режиме без обратной связи
Шаг	от 0,05 до 3 мкм при температуре 300К, от 10 до 500 нм при температуре 4К
Диапазон сканирования	40 х 40 х 4,2 мкм при температуре 300К, 9 х 9 х 2 мкм при температуре 4К
Сканирование в режиме с обратной связью	Опционально
Условия эксплуатации
Температурный диапазон	От 1,5 до 300К. Возможно исполнение для работы при температуре менее 1К
Диапазон значений магнитной индукции	От 0 до 15 Т
Среда	Теплообменный газ (гелий). Возможно вакуумное исполнение (до 10 -6 мбар)
Криогенная система
Корпус микроскопа	Титановый, диаметр 48 мм
Шахта магнита/криостата	Диаметр 2” (50,8 мм)
Совместимые модели криостатов	attoLIQUID1000/2000/3000/5000

Для уточнения цены и сроков поставки оборудования связывайтесь с техническими специалистами «Криотрейд инжиниринг».

СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП - прибор для изучения поверхности твёрдых электропроводящих тел, основанный на сканировании металлич. острия над поверхностью образца на расстоянии . Такое расстояние достаточно мало для туннелирования электронов через контакт, т.е. для протекания туннельного тока j 1-10 нА между остриём и образцом, при разности потенциалов V между ними от единиц мВ до неск. В (в зависимости от материалов электродов и целей). При этом цепь обратной связи поддерживает значение j постоянным, соответственно изменяя z. Синхронная со сканированием запись сигнала обратной связи V z (на двухкоординатном самописце - в виде кривых, на экране телевиз. трубки - в виде карты и т. п.) представляет собой увеличенную запись профиля поверхности постоянного туннельного тока j(x, у) . Она совпадает с геом. поверхностью образца S(x, у) , если высота потенц. барьера (работа выхода )электронов одинакова по всей поверхности S , поскольку , где. В ином случае распределение может быть получено путём модуляции расстояния на частоте, более высокой, чем полоса пропускания цепи обратной связи и измерения возникающей на этой частоте модуляции j, амплитуда к-рой пропорциональна Т. о., в результате сканирования острия над участком исследуемой поверхности получаются одновременно её профиль S(x, у )и распределение работы выхода

С. т. м. изобретён Г. Биннингом и Г. Рорером в 1982 . Увеличение его определяется отношением размеров записи кадра (на бумаге или экране трубки) к размерам сканируемого участка поверхности, последние могут составить от единиц до десятков мкм. Разрешающая способность микроскопа по х, у достигает ~ 1, а по z порядка 0,01. Прибор может работать в , газе или жидкости, поскольку z имеет величину порядка межатомных расстояний в жидкости. Выбор среды определяется конкретной задачей, прежде всего условиями подготовки и поддержания чистоты (или сохранности) образца. Малая величина l и низкая энергия туннелирующих электронов исключают опасность повреждения образца током. Длительность записи одного кадра от ~ 0,03 с до 30 мин.

Рис. 1. Схема устройства туннельного микроскопа: V z - напряжение обратной связи, регулирующее величину z: пунктир - траектория острия, записываемая регистрирующей системой при движении острия над линией L;- сглаженная запись ступеньки; В - запись участка С с пониженной работой выхода; - модуляция r с целью определения работы выхода .

Схема устройства С. т. м. приведена на рис. 1. Пьезоэлектрич. пластины Р х, Р у, Р z свободными концами (вне рис. 1) закреплены на станине прибора и при приложении к ним электрич. двигают остриё вдоль соответствующей координаты за счёт собств. деформации (пьезодвигатели). Устройства сближения образца и острия до малого расстояния, перекрываемого пьезодвигателем, осуществлены в разл. вариантах . Блок-схема туннельного микроскопа приведена на рис. 2.

Атомная структура поверхности свежего скола монокристалла графита (долго остающегося чистым на воздухе) часто служит в качестве тест-объекта (рис. 3). Это фотография экрана телевиз. трубки, представляющая собой результат сканирования образца, при к-ром сигнал обратной связи V z модулирует яркость пятна, перемещающегося по кадру. Светлые пятна - атомы С, выступающие над ср. плоскостью поверхности, тёмные места - углубления между ними.

Рис. 2. Блок-схема туннельного микроскопа: У - усилитель туннельного тока; ОС - схема обратной связи; Д - пьезодвигатель острия; РО - устройство регистрации и обработки данных .

Рис. 3. Атомная структура поверхности ориентированного пиролитического монокристалла графита .

Одно из первых исследований - изучение реконструиров. структуры поверхности (111) монокристалла Si: на рис. 4 границы элементарной ячейки (7 X 7) показаны ромбом, одна сторона к-рого лежит на ступени высотой в один слой атомов . При меньшей разрешающей способности (~10) можно изучать состояние поверхности образца на участках большего размера; на рис. 5 показан записанный на двухкоординатном самописце профиль обработанной поверхности (100) кристалла Si (применённого в МДП-структуре для исследования квантового Холла эффекта ).

Рис. 4. Атомная структура реконструированной поверхности (111) монокристалла Si .

Рис. 5. Поверхность (100) монокристалла Si, обработанная по высшему классу точности .

Успех С. т. м. вызвал появление аналогичных методов исследования поверхностей посредством электрич., световых и др. датчиков. Среди них наиб. интересен сканирующий атомно-силовой микроскоп , основанный на измерении сил, действующих на микроскопия, алмазное остриё, находящееся на расстоянии ~ 3-110 от поверхности образца (к-рый может быть ); остриё укрепляется на чувствит. пружине, деформации к-рой измеряются при помощи С. т.м. .

Наиб. важные области применения С. т. м.: исследования атомного строения поверхностей, металлических, сверхпроводящих и полупроводниковых структур, явлений адсорбции , и поверхностных хим. процессов, структуры молекул и биол. объектов, технол. исследования в области микро- и субмикроэлектроники, плёночных покрытий и обработки поверхностей; применение С. т. м. как инструмента обработки поверхностей в субмикроскопич. масштабе и т. д.

Лит.: 1) Binning G., Rohrer H., Scanning tunneling microscopy, «Helv. Phys. Acta», 1982, v. 55, № 6, p. 726; 2) Э д е л ь м а н В. С., Сканирующая туннельная микроскопия , «ПТЭ», 1989, № 5 , с. 25; его же, Развитие сканирующей туннельной и силовой микроскопии, «ПТЭ», 1991, № 1, с. 24; 3) X а й к и н М. С. и др., Сканирующие туннельные микроскопы, «ПТЭ», 1987, № 4, с. 231; 4) В е с k e r R. S. и др., Tunneling images of atomic steps on the Si (111) 7 x 7 surface, «Phys. Rev. Lett.», 1985, v. 55, № 19, p. 2028; 5) X а й к и н М. С. и др., Сканирующая туннельная микроскопия границы раздела Si - SiO 2 в МДП-структуре, «Письма в ЖЭТФ», 1986, т. 44, . № 4, с. 193. М. С. Хайкин .

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Гармонические колебания Физика формула частоты колебаний