В
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
В
В
Кафедра: «Химия»
В
В
В
Отчётная работа
По дисциплине: «Методы контроля и анализа вещества»
На тему: «Туннельная микроскопия»
В
В
В
В
В
В
Выполнил студент гр. МЕТЛ-31
Махов Дмитрий Александрович
Проверила: кандидат химических
наук, доцент кафедры «Химия» Третьяченко Елена Васильевна
В
В
В
В
Саратов 2013
Оглавление
ВВЕДЕНРЕ 2
1. ТЕОРРРўРЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 3
1.1 РРЎРўРћР РРЇ СОЗДАНРРЇ РЎРўРњВ 3
1.2 УСТРОЙСТВО СТМ 4
1.3 РџР РРќР¦РРџ ДЕЙСТВРРЇ РЎРўРњВ 7
2. МЕТОДЫ ПОДГОТОВКРАТОМНО-ОСТРЫХ ПРОВОДЯЩРРҐ ЗОНДОВ 9
3. ТЕОРРРЇ ТУННЕЛЬНОГО РФФЕКТА РТУННЕЛЬНОЙ СПЕКТРОСОКПРРВ 11
3.1. Туннельная спектроскопия 14
4.ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГРЧЕСКРР• ЗАДАЧР, РЕШАЕМЫЕ РЎ ПОМОЩЬЮ РЎРўРњ.В 15
5. МЕТРОЛОГРЧЕСКРР• ХАРАКТЕРРРЎРўРРљР РЎРўРњ, ПОГРЕШНОСТЬ РТОЧНОСТЬ РЗМЕРЕНРЙ 18
6. РџР РМЕРЫ РЕШЕНРРЇ МЕТРОЛОГРЧЕСКРРҐ ЗАДАЧ РЎ ПОМОЩЬЮ РЎРўРњВ 22
ЗАКЛЮЧЕНРЕ 27
РЎРџРРЎРћРљ Р›РТЕРАТУРЫ 28
В
В
Физика поверхностных явлений в настоящее время является одним
из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки. Рменно РЅР° фундаментальных исследованиях РІ области физики поверхности твёрдого тела основаны успехи современной РјРёРєСЂРѕ- Рё наноэлетроники. Поэтому исследование разнообразных электронных, атомных Рё молекулярных процессов, происходящих РЅР° поверхности твердых тел, остаётся актуальной задачей.
Последнее десятилетие в экспериментальной физике характеризуется интенсивным развитием принципиально новых методов изучения поверхностей с нанометровым и атомарным пространственным разрешением. Рти методы объединены РїРѕРґ общим названием — сканирующая зондовая РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРёСЏ (РЎР—Рњ). Ртот термин относится Рє любым типам РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРѕРІ, РІ которых изображение формируется Р·Р° счёт перемещения (сканирования) острого РјРёРєСЂРѕР·РѕРЅРґР° (иглы) над исследуемой поверхностью. Главным достоинством современных РЎР—Рњ являются: возможность получения достоверных данных Рѕ высоте микрорельефа, отсутствие дополнительных промежуточных процедур (напыление, изготовление реплик), снижающих достоверность результатов; возможность получения нанометрового, Р° РёРЅРѕРіРґР° Рё ангстремного разрешения РЅР° РІРѕР·РґСѓС…Рµ.
СЗМ эффективно используется для исследований в различных областях науки и техники: в биологии и медицине, в материаловедении, в исследованиях различных покрытий и тонких пленок, полимерных и наноструктурированных материалов, в химии и химической промышленности, физике и т.д.
Родоначальником таких приборов является сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Данный курсовой проект направлен на ознакомление физического принципа работы и устройства именно данного вида СЗМ.
В
В
В
В
Рстория создания этой методики берет свое начало с конца 60-С…В РіРѕРґРѕРІ XX века, когда Р. РЇРЅРі (Национальное Р±СЋСЂРѕ стандартов, РЎРЁРђ) попытался использовать электронное туннелирование для исследования геометрической структуры поверхности. С этой целью он разработал РїСЂРёР±РѕСЂ, названный им топографиметром, весьма напоминающий современный СТМ за одним принципиальным исключением: сканирование осуществлялось РЅР° расстоянии приблизительно ~100Г… РѕС‚ поверхности Рё РІ режиме полевой электронной СЌРјРёСЃСЃРёРё (Р° РЅРµ вакуумного туннелирования). Р’ результате удалось наблюдать, например, поверхность дифракционной решетки (~180 линий/РјРј), РЅРѕ СЃ разрешением лишь несколько СЃРѕС‚ ангстрем.
В ноябре 1978 года будущие Нобелевские лауреаты Бинниг и Рорер вернулись к идее использования вакуумного туннелирования для локальной спектроскопии тонких оксидных слоев на металлах. Для перемещения острия на малые расстояния и поддержания ширины вакуумного зазора с субангстремной точностью были использованы пьезоэлектрические материалы и система обратной связи.
 День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии.В
Основная область применения СТМ - физика твердых тел. Уже первые эксперименты по исследованию поверхности золота Au(100) относительно которой было известно, что она испытывает реконструкцию 1×2, позволили наблюдать различные сверхструктуры и ступеньки моноатомной высоты, что беспорно свидетельствовало о разрешении прибора порядка нескольких ангстрем (сами исследователи ожидали получить геометрическое разрешение по плоскости наблюдения не более 45 ангстрем). Рстало ясно, что в руках ученых появился уникальный инструмент, позволяющий наблюдать на поверхности отдельные атомы. Но чтобы убедить широкие круги научной общественности в том, что получаемые данные являются реальными экспериментальными результатами, а не данными компьютерного моделирования, понадобилось провести исследования поверхности кремния.
Рассмотрим устройство СТМ. На рисунке 1.2.1 показана схема основного узла туннельного микроскопа.
Рисунок 1.2.1. Схема конструкции СТМ.
1-основание; 2-упругий элемент; 3-сканер; 4-втулка; 5-карусель; 6-образец; 7-столик образца; 8-опора; 9-пьезоэлемент;10-катушка электромагнита; 11-винт грубого подвода по Z; 12- шаговый двигатель; 13-винт точного подвода по Z; 14-толкатель-компенсатор
.
Массивное основание имеет два плеча, разделенных упругой перемычкой. В одном плече установлен трубчатый одноэлементный пьезосканер. Пьезоэлемент закреплен РІ стакане, что позволяет РЅРµ только обеспечить его быструю сменяемость, РЅРѕ Рё ввести РІ зазор между РЅРёРјРё РІСЏР·РєРѕ-СѓРїСЂСѓРіРёР№ демпфер, несколько ослабляющий резонансные свойства сканера. Р’ РґСЂСѓРіРѕРј плече основания закреплена РѕСЃСЊ вращения карусели, предназначенной для перемещения исследуемого образца. Рсследуемый образец закрепляется РЅР° координатном столе, изготовленном РёР· стали, который, РІ СЃРІРѕСЋ очередь, установлен РЅР° четырех стальных опорах. Взаимное положение этих РѕРїРѕСЂ может регулироваться системой пьезоэлементов, Р° фиксация стола осуществляется Р·Р° счет СЃРёР» магнитного притяжения, регулируемых системой электромагнитов. Для фиксации стола РІ состоянии РїРѕРєРѕСЏ используется постоянный магнит. Подача определенной последовательности импульсов тока РЅР° электромагниты Рё импульсов напряжения РЅР° пьезоэлементы вызывает перемещение стола РІ выбранном направлении. РџСЂРё этом величина шага составляет 0,1 РјРєРј Рё менее. Установка РёСЃС…РѕРґРЅРѕРіРѕ расстояния Р·РѕРЅРґ-образец проводится СЃ помощью винта, перемещающего карусель вдоль РѕСЃРё вращения. Полный диапазон этого перемещения составляет 8РјРј, минимальный шаг - около 5РјРєРј. Более точная регулировка Р·РѕРЅРґ-подложка осуществляется Р·Р° счет РёР·РіРёР±Р° СѓРїСЂСѓРіРѕРіРѕ элемента. Шаговый двигатель, установленный РЅР° РѕРґРЅРѕРј РёР· плеч основания, вращает РІРёРЅС‚ Рё через компенсатор отталкивает второе плечо. Полный диапазон второй ступени РїРѕРґРІРѕРґР° РїРѕ Z составляет 100РјРєРј. Материал компенсатора выбран таким образом, чтобы компенсировать изменение расстояния Р·РѕРЅРґ-образец, происходящее Р·Р° счет изменения температуры РІ помещении.
Система виброизоляции выполнена РІ РІРёРґРµ пружинно-рычажной конструкции Рё введена РІ механическую часть РЎРўРњ. РћРЅР° представляет СЃРѕР±РѕР№ рычаг, РЅР° РѕРґРЅРѕРј РёР· концов которого закреплен РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ узел РЎРўРњ. Его вес уравновешен СѓРїСЂСѓРіРѕР№ силой пружины, закрепленной между базовой плитой Рё вторым концом рычага. Применение СѓРїСЂСѓРіРёС… резиновых элементов РІ точке РѕРїРѕСЂС‹ рычага Рё РІ точке крепления РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ узла Рє рычагу деформирует собственный резонанс системы виброизоляции. Такая конструкция является малогабаритной Рё, РІ то же время, обладает РЅРёР·РєРѕР№ резонансной частотой (около 1,5 Гц).В
Современные РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїС‹ основаны РЅР° аналогичном принципе и имеют схожую конструкцию (СЂРёСЃ.1.2.2). Дополнительно Рє РЅРёРј РјРѕРіСѓС‚ быть введены системы активной виброзащиты, модули емкостной компенсации дрейфов, видеокамеры Рё РґСЂСѓРіРёРµ средства, обеспечивающие возможность получения лучших результатов РІ изображении поверхности Рё облегчающие работу РЅР° РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРµ. В В В В В В
Рисунок.1.2.2 СММ-2000Т (сканирующий мультимикроскоп туннельный)
В
В
Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно прост, но кардинально отличается от всех предшествующих методик, применявшихся в физике поверхности.
Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике, а электронное туннелирование с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления СТМ (как и контактная спектроскопия). Все это делает СТМ уникальным микроскопом, который не содержит линз (а значит, изображение не искажается из-за аберраций), энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопии высокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов.
Принцип работы СТМ сравнительно прост. Сканирующая металлическая игла (рабочая часть игл размера порядка десяти нанометров), закрепленная в трехкоординатном приводе PX, PY, PZ, расположена перпендикулярно исследуемой поверхности (рисунок 1.3.1).
Рисунок. 1.3.1 Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа.
1 – игла; 2 – исследуемая поверхность; 3 – трехкоординатный пьезопривод; 4 – система обратной связи
С помощью пьезопривода игла подводится к поверхности образца до возникновения туннельного тока IT, который определяется величиной зазора s между иглой и поверхностью:
,
где Ф – величина потенциального барьера в зазоре, измеряемая в электронвольтах;
U – напряжение, приложенное между иглой и образцом в вольтах;
s – зазор между поверхностью и иглой в ангстремах.
При постоянном напряжении U на зазоре игла перемещается вдоль поверхности, причем с помощью системы обратной связи, воздействующей на пьезоэлемент PZ, туннельный ток IT поддерживают постоянным. Если величина барьера Ф постоянна вдоль исследуемой поверхности (материал поверхности однороден), то величина туннельного тока будет изменяться пропорционально величине зазора между иглой и поверхностью и график изменения этого тока будет описывать профиль рельефа поверхности. Набор таких профилей даст непосредственную информацию о топографии поверхности.
В сканирующих туннельных микроскопах используются зонды нескольких
типов. В первое время широкое распространение получили зонды, приготовленные из вольфрамовой проволоки методом электрохимического травления. Процесс приготовления СТМ зондов по данной технологии выглядит следующим образом. Заготовка из вольфрамовой проволоки укрепляется так, чтобы один из ее концов проходил сквозь проводящую диафрагму (Д) и погружался в водный раствор щелочи КОН (Рисунок 2.1).
Рис. 2.1. Схема изготовления СТМ зондов из вольфрамовой проволоки
с помощью электрохимического травления.
При пропускании электрического тока между диафрагмой и электродом, расположенным в растворе КОН, происходит перетравливание заготовки. По мере травления толщина перетравливаемой области становится настолько малой, что происходит разрыв заготовки за счет веса нижней части. При этом нижняя часть падает, что автоматически разрывает электрическую цепь и останавливает процесс травления.
Другая широко применяемая методика приготовления СТМ зондов –
перерезание тонкой проволоки из PtIr сплава с помощью обыкновенных ножниц. Перерезание производится под углом порядка 45 градусов с одновременным натяжением P проволоки на разрыв (рисунок 2.2).
В
Рис. 2.2. Схематичное изображение процесса формирования СТМ острия
при перерезании проволоки из PtIr сплава.
Процесс формирования острия в этом случае отчасти сходен с процессом изготовления острия из вольфрама. При перерезании происходит пластическая деформация проволоки в месте резки и обрыв ее под действием растягивающего усилия Р. В результате в месте разреза формируется вытянутое острие с неровным (рваным) краем с многочисленными выступами, один из которых и оказывается рабочим элементом СТМ зонда. Данная технология изготовления СТМ зондов применяется сейчас практически во всех лабораториях и почти всегда обеспечивает гарантированное атомарное разрешение при СТМ исследованиях поверхности.
В
В
 Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле. (рисунок 3.1)
В
В В В В В В В В В В В В В В В
Рисунок 3.1 Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер в туннельном микроскопе
myunivercity.ru
Реально увидеть атомную структуру вещества можно также СЃ помощью туннельного РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїР°. Рзобрели его РІВ 1982В РіРѕРґСѓ Герд Бинниг Рё Генрих Рорер. Р—Р° создание туннельного РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїР° РІВ 1986В РіРѕРґСѓ РёРј была присуждена Нобелевская премия.
Как работает туннельный РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРї? Рљ исследуемой поверхности подводится очень близко тонкая иголочка, РЅР° которую подается небольшое напряжение относительно исследуемого материала. Так как расстояние между иглой Рё поверхностью очень маленькое, напряженность электрического поля Сѓ иглы оказывается очень большой. РџРѕРґ действием этого напряжения электроны СЃ поверхности ускоряются Рё проскакивают СЃ поверхности РЅР° иглу. Ртот ток называется туннельным током, так как между иглой Рё поверхностью РЅР° самом деле образуется потенциальный барьер. РџРѕ классическим законам электроны РЅРµ РјРѕРіСѓС‚ его преодолеть. РќРѕ электроны как Р±С‹ «роют» канал (туннель) РІ этом барьере Рё РїСЂРѕС…РѕРґСЏС‚ РїРѕ нему Рє игле. Такая возможность протекания туннельного тока обусловлена квантовыми закономерностями поведения электронов РЅР° малых расстояниях. Величина этого тока очень сильно зависит РѕС‚ расстояния (экспоненциально), Рё поэтому небольшие изменения расстояния между иголкой Рё поверхностью РїСЂРёРІРѕРґСЏС‚ Рє резкому изменению тока. Рто позволяет РІ туннельном РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРµ очень точно измерять расстояние РѕС‚ иглы РґРѕ поверхности.
Вторая особенность туннельного микроскопа тоже связана с экспоненциальной зависимостью тока от расстояния. Оказывается, что фактически «работает» только один атом, расположенный на кончике иглы, а это позволяет определять горизонтальное смещение иглы с точностью до размеров атома.
Естественно, что исследуемая поверхность должна быть проводящей, то есть представлять собой металлы либо полупроводники, но не диэлектрики. На самом деле, если бы мы могли получить очень плоскую поверхность металла, то, исследуя ее туннельным микроскопом, наблюдали бы практически постоянный ток через иглу при любом ее расположении. Связано это с тем, что электроны в металле являются свободными частицами, они свободно блуждают по металлу между атомами.
Кроме туннельного микроскопа, в настоящее время существуют и другие приборы, позволяющие отображать отдельные атомы: ионный эмиссионный микроскоп, который мы рассмотрели ранее, и просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения. Однако оба они имеют существенные ограничения по применимости, связанные со специфическими требованиями к форме образцов. В первом случае образцы должны иметь форму острых игл из проводящего материала с радиусом закругления не более 1000 Å, а во втором – тонких полосок толщиной менее 1000 Å.
Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно прост. Тоненькая иголочка крепится к пьезоэлементу, который двигает ее при подаче на него напряжения. Можно, двигая иглу вдоль образца, снимать туннельный ток, он будет большой там, где находятся электроны, и маленький в промежутках между атомами. Можно изменять расстояние между иглой и образцом так, чтобы поддерживать одинаковый туннельный ток. Тогда игла будет подниматься вблизи атомов и опускаться в промежутках между ними. Записав график напряжения или высоты, проходя поверхность вещества ряд за рядом, получают двумерную картину расположения атомов на поверхности вещества.
Основными помехами при измерении являются различные вибрации пола, подвеса и т. д. Поэтому туннельный микроскоп обычно устанавливается на специальных демпфирующих устройствах.
![]() |
Рис. 1. Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа. Желтым цветом отмечены пьезоэлементы, управляющие движением иглы по трем осям |
Что же можно увидеть с помощью туннельного микроскопа?
Во-первых, оказывается, что поверхности металлов совсем не плоские, а часто на ней образуются почти регулярные структуры с периодом, на порядок большим межатомного расстояния. Такая структура, например, была обнаружена с помощью туннельного микроскопа на поверхности монокристалла золота, что показано на рисунке…
![]() |
Рис. 2. Многоатомные структуры на поверхности золота |
Р’Рѕ-вторых, если РЅР° очень плоскую поверхность металла посадить РґРІР° чужеродных атома (дефекта), то удается увидеть совершенно удивительное квантовое явление – волновой характер электронов. Рлектроны рассеиваются РЅР° этих дефектах Рё, измеряя фактически распределение электронов РїРѕ поверхности кристалла, РјС‹ обнаруживаем РЅР° поверхности интерференционную картину. Точно такую же, как образуется РЅР° поверхности РІРѕРґС‹, РєРѕРіРґР° поверхностные волны, например РѕС‚ прошедшего корабля, огибают РґРІР° прутика РЅР° своем пути. Рлектронные волны называются волнами де Бройля (этот французский ученый впервые выдвинул предположение, что электроны РјРѕРіСѓС‚ обладать волновыми свойствами). РќР° СЂРёСЃСѓРЅРєРµ показан результат измерения плотности электронов РЅР° поверхности меди, РЅР° которую посажены РґРІР° чужеродных атома.
![]() |
Рис. 3. Волны де Бройля на поверхности меди |
Точно так же можно исследовать поверхность полупроводников, например, кремния.
![]() |
Рис. 4. Кремний в туннельном микроскопе |
Туннельный микроскоп является незаменимым инструментом при исследованиях в области физики поверхности твердого тела, современной микро- и наноэлектроники, гетерогенного катализа, космических технологий и т. п.
Модель 1. Туннельный микроскоп |
school-collection.lyceum62.ru
В
Туннельный эффект - квантовый эффект, состоящий в проникновении квантовой частицы сквозь область пространства, в которой согласно законам классической физики нахождение частицы запрещено. 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.
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:
В =В +)
Как известно из квантовой механики, вероятность туннелирования
электрона (коэффициент прохождения) через одномерный барьер прямоугольной формы равна:
W=,
где - амплитуда волновой функции электрона движущегося к барьеру;
 -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:
k=,
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.
Р РёСЃСѓРЅРѕРє 3.2.В Рнергетическая диаграмма туннельного контакта РґРІСѓС… металлов.
В процессе туннелирования участвуют, в основном, электроны с энергией в окрестности уровня Ферми .
В случае контакта двух металлов (рисунок 3.2) выражение для плотности туннельного тока (в одномерном приближении) будет:
В В В В В В В В В В В В В В В В В В (1)
где параметры и А задаются следующими выражениями:
В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В A=
При условии малости напряжения смещения ( eV <ϕ ), выражение для
плотности тока можно представить в более простом виде. Линеаризуя вторую
экспоненту в выражении (1) по параметру eV и пренебрегая членом eV по сравнению с ϕ * , выражение для плотности тока можно записать следующим образом:
В
Поскольку экспоненциальная зависимость очень сильная, то для оценок и качественных рассуждений часто пользуются упрощенной формулой:
В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В (2)
в которой величина считается не зависящей от изменения расстояния зонд-образец. Для типичных значений работы выхода (ϕ ~ 4 эВ) значение константы затухания k = 2 Å-1, так что при изменении ΔZ на ~ 1 Å величина тока меняется на порядок. Реальный туннельный контакт в СТМ не является одномерным и имеет более сложную геометрию, однако основные черты туннелирования, а именно экспоненциальная зависимость тока от расстояния зонд-образец, сохраняются также и в более сложных моделях, что подтверждается экспериментально.
Ркспоненциальная зависимость туннельного тока РѕС‚ расстояния (2) позволяет осуществлять регулирование расстояния между зондом и образцом в туннельном РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРµ с высокой точностью.
Сканирующий туннельный микроскоп позволяет получать вольт-амперные характеристики (ВАХ) туннельного контакта зонд-поверхность в любой точке поверхности и исследовать локальные электрические свойства образца. Для характерных напряжений на туннельном контакте порядка 0.1 –1В и туннельных токов на уровне 0.1 – 1 нА сопротивление туннельного контакта Rt по порядку величин составляет 108÷1010 Ом. Как правило, сопротивление исследуемых в СТМ образцов RS существенно меньше Rt, и характер ВАХ определяется, в основном, свойствами небольшой области образца вблизи туннельного контакта.(рисунок 3.1.1)
В
Р РёСЃ. 3.1.1. Рквивалентная схема туннельного контакта РїРѕ постоянному току
В
Характер туннельной ВАХ существенно зависит от энергетического спектра электронов в образце. В туннельном токе участвуют, в основном, электроны с энергиями вблизи уровня Ферми. При прямом смещении электроны туннелируют из заполненных состояний зоны проводимости зонда на свободные состояния зоны проводимости образца. При обратном смещении электроны туннелируют из образца в зонд. Величина туннельного тока определяется напряжением смещения, коэффициентом прозрачности барьера и плотностью состояний вблизи уровня Ферми. Типичная ВАХ, наблюдаемая для
туннельного контакта металл-металл, изображена схематически на рисунке 3.1.2.
В
Рис.3.1.2. Характерный вид ВАХ для контакта металл-металл.
Сканирующая зондовая микроскопия объединяет достаточно большой класс методов исследования поверхности и отдельных нанообъектов с помощью сканирующего механического острия (зонда). Если наблюдать СТМ-изображения при различных напряжениях смещения , или, отключив на короткое время цепь обратной связи, снять зависимость туннельного тока от при постоянном значении зазора между острием и образцом, можно получить картину распределения обратных связей, а также других электронных состояний, отвечающих разным энергиям, поскольку в процессе туннелирования в этом случае будут участвовать электроны с разными энергиями (из зоны проводимости, валентной зоны или локализованных состояний). Дальнейшее развитие этого подхода привело к появлению сканирующей туннельной микроскопии, при которой измеряется зависимость , непосредственно связанная с локальной плотностью состояний в окрестности уровня Ферми.
Что касается самих СТМ- изображений, то оказалось, что изображения, полученные при разных (то есть соответствующие разным энергетическим состояниям), выглядят по-разному.(рисунок 4.1)
В В
В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В В
=+2,4В, так называемое                                                   б) =-2,4В, изображение
изображение заполненных      незаполненных состояний,
состояний, электроны тун-                                                      электроны туннелируютВ
нелируют из острия в образец.                                                из образца в острие-зонд.
В
=+1,6В, изображение заполненных состояний, полученное в режиме линейной шкалы.
Рисунок.4.1.СТМ изображение поверхности Si(111) при разных напряжениях смещения
В
Так выступы, наблюдаемые на изображении заполненных состояний (рис.4.1.а), обусловлены туннелированием в зону проводимости кремния через оборванные связи адатомов, в то время как впадины, видимые на изображении незаполненных состояний (рис.4.1.б), определяются туннелированием электронов из валентной зоны или локализованных состояний кремния в острие через оборванные связи rest-атомов (так называют атомы первого поверхностного слоя) и атомов, расположенных в угловых ямах. (рисунок 4.2.)
Рисунок.4.2.DAS- модель реконструкции изображения поверхности Si
Таким образом СТМ способен РѕС‚ ображать локализованные состояния электронов, РІ частности распределение плотности состояний РІ РїСЂСЏРјРѕРј пространстве Рё расположения уровней РЅР° энергетической шкале. РќРѕ это означает, что РЎРўРњ позволяет наблюдать РЅРµ сами атомы, Р° распределение РІ пространстве РІРѕРєСЂСѓРі атомов плотности электронов различной энергии Рё дает РЅРµ просто топографию, Р° скорее изображение электронной структуры поверхности РІ окрестности СѓСЂРѕРІРЅСЏ Ферми. Рто обстоятельство, СЃ РѕРґРЅРѕР№ стороны, существенно повышает информативность метода, СЃ РґСЂСѓРіРѕР№- затрудняет расшифровку истинных поверхностных атомных структур.
Безусловно, поведение электронов, энергии которых близки к уровню Ферми (), отделяющему занятые состояния от свободных, наиболее важно, так как при любом воздействии на поверхность (термическом, освещении, адсорбции) уровни, ближайшие к , легче отдают или принимают электроны, то есть именно они определяют основные свойства поверхности.
До сих пор это были чистые поверхности. Для поверхностей, покрытых адсорбированными пленками, зависимость СТМ - изображений РѕС‚ напряжения смещения может проявляться еще РІ большей степени, так как некоторые адсорбаты (например, атомы щелочных металлов) даже РІ очень небольших количествах РІ состоянии кардинально изменить электронную структуру поверхности. Поэтому интерпретация РЎРўРњ - изображений адсорбированных слоев должна проводиться наиболее тщательно Рё обычно предполагает построение РІ каждом конкретном случае соответствующей модели поверхности. Тем РЅРµ менее именно непосредственные исследования РЅР° месте адсорбции Рё начальный стадий роста кристаллов являются РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ Рё наиболее увлекательной сферой применения РЎРўРњ.В В
Со временем коэффициенты чувствительности пьезоманипуляторов СЗМ изменяются, так как пьезокерамика, из которой они изготовлены, деполяризуется и “стареет”. Поэтому необходимо периодически проводить перекалибровку сканера микроскопа.
Калибровку микроскопа необходимо проводить РїСЂРё первичном запуске РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїР°, Р° также СЃ периодом РѕРґРёРЅ раз РІ РіРѕРґ после этого, либо через каждые 1000 часов работы СЃ включенным РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРѕРј. Рто связано РЅРµ только СЃ изменением пьезокоэффициентов сканера РїРѕ истечении времени, РЅРѕ Рё приложении напряжений Рє нему РїСЂРё эксплуатации РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїР°.
Рдея метода заключается в использовании известной информации Рѕ структуре Рё размерах элементов эталонной поверхности для РїРѕРёСЃРєР° параметров линейной трансформации, преобразующей искажённое изображение эталонной поверхности РІ неискажённое. Рспользуя затем найденные параметры, производятся те же манипуляции, РЅРѕ уже над изображениями, структура которых заранее неизвестна.
Ртак, калибровочная процедура заключается в сканировании РїРѕ алгоритму, описанному выше, эталонной поверхности, в роли которой может выступать, например, Р’Рћ, монокристаллический РљРёС€ (Kish) графит, кристаллы MoS2, NbSe Рё опеделении локальных калибровочных коэффициентов путём выполнения СЃРєРёРїРїРёРЅРіР° между каждой особенностью цепочки Рё всеми её ближайшими соседями. Р’ результате получаем распределение (сетку) калибровочных коэффициентов РІ пространстве сканирования. Поскольку влияние термодрейфа Рё РєСЂРёРїР° устраняется РІ процессе измерения, то калибровочная сетка оказывается независимой РѕС‚ скорости сканирования Рё его направления.
Погрешность смещения Аббе происходит из-за изгиба Z-пьезоманипулятора в процессе сканирования и некоторой, в зависимости от того, чем производят сканирование образцом или иглой, толщины образца или длины иглы. Например, абсолютная погрешность смещения Аббе для иглы длиной, скажем, 5 мм при перемещении от одного края к другому на поле (7×7) мк точного манипулятора с длиной трубки 32 мм составляет около 1.1 мкм. Ни толщина образца, ни длина иглы заранее, как правило, точно неизвестны.
Поскольку среднюю толщину образца обычно измерить проще чем длину иглы, то схема сканирования образцом выглядит предпочтительнее.
Таким образом, абсолютная погрешность смещения Аббе из-за погрешности измерения толщины образца (длины иглы), скажем, в ±1.5 мкм на краю поля приблизительно равна ±1.6 Å. Если бы толщина образца (длина иглы) была бы точно известна, а свободный конец манипулятора изгибался бы строго по окружности, что на практике не наблюдается, то погрешность смещения Аббе можно было бы легко скорректировать, вводя для каждой точки в растре соответствующие поправки в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Обсуждаемый тип погрешности устраняется в процессе распределённой калибровки.
Если сканирование производится образцом, то при смене образца необходимо посредством держателя фиксировать одно и тоже смещение поверхности образца от края манипулятора. Если сканирование производится иглой, то в случае её замены возможны три варианта: перекалибровка сканера, изготовление игл с одинаковой длиной, использование держателя иглы, обеспечивающего одно и тоже смещение кончика иглы от края манипулятора. В последних двух вариантах отклонение от номинального положения плоскости сканирования, как и при установке нового образца, также может составлять несколько микрон.
При исследовании поверхности с помощью СТМ также могут возникать погрешности, связанные с:
1) Наклоном исследуемой поверхности, С‚.Рµ. участки поверхности, которые исследуются СЃ помощью зондовых РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРѕРІ, имеют достаточно малые размеры: РѕС‚ сотен нанометров РґРѕ нескольких РјРёРєСЂРѕРЅ. Рто является РѕРґРЅРѕР№ РёР· причин того, что достаточно часто исследуемый участок поверхности имеет некоторый наклон.
myunivercity.ru
В
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)
В
Кафедра физической электроники (Р¤Р)
В
«Сканирующая туннельная микроскопия»
Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине
В«Ркспериментальные методы исследования и метрология»
В
В
 Выполнил:
                                   студент гр. 320
                                                         _______Н.Е. Курбанова
                                            «14» декабря 2012
В
Проверил:
ассистент каф. Р¤Р
______Саврук Е. В.
«14» декабря 2012г.
2012
Министерство образования и науки РФ
РўРћРњРЎРљРР™ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНРВЕРСРТЕТ СРСТЕМ
УПРАВЛЕНРРЇВ РВ Р РђР”РРћРЛЕКТРОНРРљР (РўРЈРЎРЈР )
В
В
В
В
Кафедра физической электроники (Р¤Р)
В
УТВЕРЖДАЮ
зав. кафедрой Р¤Р
РўСЂРѕСЏРЅ Рџ.Р•.
_______________
В
Задание
по курсовому проектированию по дисциплине
В«Ркспериментальные методы исследования и Метрология (РРњРРёРњ)В»
Студенту Курбановой Наталье Евгеньевне
РіСЂСѓРїРїР° 320 факультет ФРРў
1. Тема проекта:     «Сканирующая туннельная микроскопия»
2. Содержание пояснительной записки:
2.1В Рстория создания РЎРўРњ
2.2 Устройство СТМ
Дата выдачи задания: « 2 » ноября 2012 г.
Руководитель: ассистент каф. ФРЕ.В. Саврук
_______________
В
3. Срок сдачи законченного проекта « » декабря 2012 г.
В
Задание приняла к исполнению Н.Е.Курбанова
______________
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
РЕФЕРАТ
Курсовая работа стр.31, рис.16, источников 6.
Сканирующая туннельная микроскопия, устройство и принцип работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), методы подготовки атомно-острых проводящих зондов. Метрологические задачи и характеристики СТМ, погрешность и точность измерений.
Объектом изучения являются СТМ, его характеристики и целесообразность применения микроскопа в нанотехнологиях.
Целью курсовой работы является на основе работы СТМ систематизировать и расширить теоретические знания по специальности, приобрести навыки решения метрологических задач с помощью СТМ.
В результате работы был изучен принцип работы СТМ и метрологические задачи, решаемые с помощью данного прибора.
Данный текстовый документ подготовлен в среде Microsoft Word 2007.
В
В
В
ABSTRACT
Course Project pages, paints,В sources, registered guests.
Scanning tunneling microscopy, structure and working principle of scanning tunneling microscope (STM), the methods of preparation of atomic-sharp conducting probe. Metrological characteristics of the problem and the STM, accuracy and precision.
The object of study is the STM, its characteristics and usefulness of the microscope in nanotechnology.
The aim of the course work is based on STM organize and expand the theoretical knowledge in the specialty, the skills solutions metrology tasks using STM.
As a result of the work was to study the principles of STM and metrological problems solved with the help of this device.
This text document is prepared in the environment of Microsoft Word 2007.
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
В
СОДЕРЖАНРР•
ВВЕДЕНРЕ……………………………………………………………………….7
1 ТЕОРЕТРЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………………………………………………….8
В В 1.1.Рстория создания СТМ…………………………………….…………......8
1.2.Устройство СТМ…………………………………………………………….9                                         1.3. Принцип действия СТМ………………………………………………....11
2 МЕТОДЫ ПОДГОТОВКРАТОМНО-ОСТРЫХ ПРОВОДЯЩРРҐ
ЗОНДОВ………………………………………………………………………….13
3 РџР РђРљРўРЧЕСКАЯ ЧАСТЬ...............................................................................14
3.1Туннельный эффект…………………………………………………………..14  3.2Туннельная спектроскопия……………………………………………………17
4.ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГРЧЕСКРЕ ЗАДАЧР, РЕШАЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ СТМ……………………………………………………………....19
5.МЕТРОЛОГРЧЕСКРЕ ХАРАКТЕРРРЎРўРРљРВ РЎРўРњ, ПОГРЕШНОСТЬВ
РТОЧНОСТ РЗМЕРЕНРР™.…………………………………………………..22
6.РџР РМЕРЫ РЕШЕНРЯ МЕТРОЛОГРЧЕСКРХ ЗАДАЧ СВ
ПОМОЩЬЮ СТМ.……………………………………………………………...25
ЗАКЛЮЧЕНРЕ………………………………………………………………...30
РЎРџРРЎРћРљВ Р›РТЕРАТУРЫ……………………………………………………..31
В
В
В
В
В
В
В
В
ВВЕДЕНРР•
Физика поверхностных явлений в настоящее время является одним
из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки. Рменно РЅР° фундаментальных исследованиях РІ области физики поверхности твёрдого тела основаны успехи современной РјРёРєСЂРѕ- Рё наноэлетроники. Поэтому исследование разнообразных электронных, атомных Рё молекулярных процессов, происходящих РЅР° поверхности твердых тел, остаётся актуальной задачей.
Последнее десятилетие в экспериментальной физике характеризуется интенсивным развитием принципиально новых методов изучения поверхностей СЃ нанометровым Рё атомарным пространственным разрешением. Рти методы объединены РїРѕРґ общим названием — сканирующая зондовая РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРёСЏ (РЎР—Рњ). Ртот термин относится Рє любым типам РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРѕРІ, РІ которых изображение формируется Р·Р° счёт перемещения (сканирования) острого РјРёРєСЂРѕР·РѕРЅРґР° (иглы) над исследуемой поверхностью. Главным достоинством современных РЎР—Рњ являются: возможность получения достоверных данных Рѕ высоте микрорельефа, отсутствие дополнительных промежуточных процедур (напыление, изготовление реплик), снижающих достоверность результатов; возможность получения нанометрового, Р° РёРЅРѕРіРґР° Рё ангстремного разрешения РЅР° РІРѕР·РґСѓС…Рµ.
СЗМ эффективно используется для исследований в различных областях науки и техники: в биологии и медицине, в материаловедении, в исследованиях различных покрытий и тонких пленок, полимерных и наноструктурированных материалов, в химии и химической промышленности, физике и т.д.
Родоначальником таких приборов является сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Данный курсовой проект направлен на ознакомление физического принципа работы и устройства именно данного вида СЗМ.
В
В
В
1 ТЕОРРРўРЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
В
Рстория создания этой методики берет свое начало с конца 60-С…В РіРѕРґРѕРІ XX века, когда Р. РЇРЅРі (Национальное Р±СЋСЂРѕ стандартов, РЎРЁРђ) попытался использовать электронное туннелирование для исследования геометрической структуры поверхности. С этой целью он разработал РїСЂРёР±РѕСЂ, названный им топографиметром, весьма напоминающий современный РЎРўРњ Р·Р° РѕРґРЅРёРј принципиальным исключением: сканирование осуществлялось РЅР° расстоянии приблизительно РѕС‚ поверхности Рё РІ режиме полевой электронной СЌРјРёСЃСЃРёРё (Р° РЅРµ вакуумного туннелирования). Р’ результате удалось наблюдать, например, поверхность дифракционной решетки ( линий/РјРј), РЅРѕ СЃ разрешением лишь несколько СЃРѕС‚ ангстрем.
В ноябре 1978 года будущие Нобелевские лауреаты Бинниг и Рорер вернулись к идее использования вакуумного туннелирования для локальной спектроскопии тонких оксидных слоев на металлах. Для перемещения острия на малые расстояния и поддержания ширины вакуумного зазора с субангстремной точностью были использованы пьезоэлектрические материалы и система обратной связи.
 День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии.В
Основная область применения СТМ - физика твердых тел. Уже первые эксперименты по исследованию поверхности золота Au(100) относительно которой было известно, что она испытывает реконструкцию 1×2, позволили наблюдать различные сверхструктуры и ступеньки моноатомной высоты, что беспорно свидетельствовало о разрешении прибора порядка нескольких ангстрем (сами исследователи ожидали получить геометрическое разрешение по плоскости наблюдения не более 45 ангстрем). Рстало ясно, что в руках ученых появился уникальный инструмент, позволяющий наблюдать на поверхности отдельные атомы. Но чтобы убедить широкие круги научной общественности в том, что получаемые данные являются реальными экспериментальными результатами, а не данными компьютерного моделирования, понадобилось провести исследования поверхности кремния.
Рассмотрим устройство СТМ. На рис. 1.2 показана схема основного узла туннельного микроскопа.
1-основание; 2-упругий элемент; 3-сканер; 4-втулка; 5-карусель; 6-образец; 7-столик образца; 8-опора; 9-пьезоэлемент;10-катушка электромагнита; 11-винт грубого подвода по Z; 12- шаговый двигатель; 13-винт точного подвода по Z; 14-толкатель-компенсатор
Рисунок 1.2. Схема конструкции СТМ.
Получше рисунка нет?
Массивное основание имеет два плеча, разделенных упругой перемычкой. В одном плече установлен трубчатый одноэлементный пьезосканер. Пьезоэлемент закреплен РІ стакане, что позволяет РЅРµ только обеспечить его быструю сменяемость, РЅРѕ Рё ввести РІ зазор между РЅРёРјРё РІСЏР·РєРѕ-СѓРїСЂСѓРіРёР№ демпфер, несколько ослабляющий резонансные свойства сканера. Р’ РґСЂСѓРіРѕРј плече основания закреплена РѕСЃСЊ вращения карусели, предназначенной для перемещения исследуемого образца. Рсследуемый образец закрепляется РЅР° координатном столе, изготовленном РёР· стали, который, РІ СЃРІРѕСЋ очередь, установлен РЅР° четырех стальных опорах. Взаимное положение этих РѕРїРѕСЂ может регулироваться системой пьезоэлементов, Р° фиксация стола осуществляется Р·Р° счет СЃРёР» магнитного притяжения, регулируемых системой электромагнитов. Для фиксации стола РІ состоянии РїРѕРєРѕСЏ используется постоянный магнит. Подача определенной последовательности импульсов тока РЅР° электромагниты Рё импульсов напряжения РЅР° пьезоэлементы вызывает перемещение стола РІ выбранном направлении. РџСЂРё этом величина шага составляет 0,1 РјРєРј Рё менее. Установка РёСЃС…РѕРґРЅРѕРіРѕ расстояния Р·РѕРЅРґ-образец проводится СЃ помощью винта, перемещающего карусель вдоль РѕСЃРё вращения. Полный диапазон этого перемещения составляет 8РјРј, минимальный шаг - около 5РјРєРј. Более точная регулировка Р·РѕРЅРґ-подложка осуществляется Р·Р° счет РёР·РіРёР±Р° СѓРїСЂСѓРіРѕРіРѕ элемента. Шаговый двигатель, установленный РЅР° РѕРґРЅРѕРј РёР· плеч основания, вращает РІРёРЅС‚ Рё через компенсатор отталкивает второе плечо. Полный диапазон второй ступени РїРѕРґРІРѕРґР° РїРѕ Z составляет 100РјРєРј. Материал компенсатора выбран таким образом, чтобы компенсировать изменение расстояния Р·РѕРЅРґ-образец, происходящее Р·Р° счет изменения температуры РІ помещении.
Система виброизоляции выполнена РІ РІРёРґРµ пружинно-рычажной конструкции Рё введена РІ механическую часть РЎРўРњ. РћРЅР° представляет СЃРѕР±РѕР№ рычаг, РЅР° РѕРґРЅРѕРј РёР· концов которого закреплен РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ узел РЎРўРњ. Его вес уравновешен СѓРїСЂСѓРіРѕР№ силой пружины, закрепленной между базовой плитой Рё вторым концом рычага. Применение СѓРїСЂСѓРіРёС… резиновых элементов РІ точке РѕРїРѕСЂС‹ рычага Рё РІ точке крепления РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ узла Рє рычагу деформирует собственный резонанс системы виброизоляции. Такая конструкция является малогабаритной Рё, РІ то же время, обладает РЅРёР·РєРѕР№ резонансной частотой (около 1,5 Гц).В
Современные РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїС‹ основаны РЅР° аналогичном принципе и имеют схожую конструкцию (СЂРёСЃ.1.2.2). Дополнительно Рє РЅРёРј РјРѕРіСѓС‚ быть введены системы активной виброзащиты, модули емкостной компенсации дрейфов, видеокамеры Рё РґСЂСѓРіРёРµ средства, обеспечивающие возможность получения лучших результатов РІ изображении поверхности Рё облегчающие работу РЅР° РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРµ. В В В В В В
Рисунок.1.3 СММ-2000Т (сканирующий мультимикроскоп туннельный)
В
В
В
Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно прост, но кардинально отличается от всех предшествующих методик, применявшихся в физике поверхности.
Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике, а электронное туннелирование с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления СТМ (как и контактная спектроскопия). Все это делает СТМ уникальным микроскопом, который не содержит линз (а значит, изображение не искажается из-за аберраций), энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопии высокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов.
Принцип работы СТМ сравнительно прост. Сканирующая металлическая игла (рабочая часть игл размера порядка десяти нанометров), закрепленная в трехкоординатном приводе PX, PY, PZ, расположена перпендикулярно исследуемой поверхности (рисунок 1.2).
1 – игла; 2 – исследуемая поверхность; 3 – трехкоординатный пьезопривод; 4 – система обратной связи
Рисунок. 1.3 Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа.
С помощью пьезопривода игла подводится к поверхности образца до возникновения туннельного тока IT, который определяется величиной зазора s между иглой и поверхностью:
,
где Ф – величина потенциального барьера в зазоре, измеряемая в электронвольтах;
U – напряжение, приложенное между иглой и образцом в вольтах;
s – зазор между поверхностью и иглой в ангстремах.
При постоянном напряжении U на зазоре игла перемещается вдоль поверхности, причем с помощью системы обратной связи, воздействующей на пьезоэлемент PZ, туннельный ток IT поддерживают постоянным. Если величина барьера Ф постоянна вдоль исследуемой поверхности (материал поверхности однороден), то величина туннельного тока будет изменяться пропорционально величине зазора между иглой и поверхностью и график изменения этого тока будет описывать профиль рельефа поверхности. Набор таких профилей даст непосредственную информацию о топографии поверхности.
yaneuch.ru
Ульяновский Государственный Технический Университет
Сканирующая зондовая микроскопия
Выполнил студент гр. ОМбд-21:
Бурмистров Сергей.
Преподаватель: Мищенко
Ольга Владимировна
Ульяновск 2014 год.
Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ), его строение и принцип действия
Сканирующая зондовая РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРёСЏ (РЎР—Рњ) - РѕРґРёРЅ РёР· мощных современных методов исследования морфологии Рё локальных свойств поверхности твердого тела СЃ высоким пространственным разрешением   В
Несмотря на многообразие видов и применений современных сканирующих микроскопов, в основе их работы заложены схожие принципы, а их конструкции мало различаются между собой. На рис. 1 изображена обобщенная схема сканирующего зондового микроскопа (СЗМ).
Рис.1 Обобщенная схема сканирующего зондового микроскопа (СЗМ).
    Принцип его работы заключается в следующем. С помощью системы грубого позиционирования измерительный зонд подводится к поверхности исследуемого образца. При приближении образца и зонда на расстояние менее сотен нм зонд начинает взаимодействовать с поверхностными структурами анализируемой поверхности. Перемещение зонда вдоль поверхности образца осуществляется с помощью сканирующего устройства, которое обеспечивает сканирование поверхности иглой зонда. Обычно оно представляет собой трубку из пьезокерамики, на поверхность которой нанесены три пары разделенных электродов. Под действием приложенных к пьезотрубке напряжений Ux и Uy она изгибается, обеспечивая тем самым перемещение зонда относительно образца по осям X и Y, под действием напряжения Uz - сжимается или растягивается, что позволяет изменять расстояние игла-образец.
Пьезоэлектрический эффект РІ кристаллах был обнаружен РІ 1880 Рі. братьями Рџ. Рё Р–. РљСЋСЂРё, наблюдавшими возникновение РЅР° поверхности пластинок, вырезанных РїСЂРё определённой ориентировки РёР· кристалла кварца, электростатических зарядов РїРѕРґ действием механических напряжений. Рти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе СЃ РЅРёРј Рё исчезают РїСЂРё его снятии.
Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.
Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающиеся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникает механическая деформация под действием приложенного к ней электрического поля; причём величина механической деформации пропорциональна напряжённости электрического поля. Пьезоэлектрический эффект наблюдается только в твёрдых диэлектриках, главным образом, кристаллических. В структурах имеющих центр симметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннее равновесие кристаллической решётки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются кристаллы только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии. Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условием существования пьезоэлектрического эффекта, и поэтому не все ацентричные кристаллы обладают им.
Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твёрдых аморфных и скрытокристаллических диэлектриках.(Пьезоэлектрики – монокристаллы: Кварц. Пьезоэлектрические свойства кварца широко используются в технике для стабилизации и фильтрации радиочастот, генерирования ультразвуковых колебаний и для измерения механических величин. Турмалин. Основным преимуществом турмалина является большее значение частного коэффициента по сравнению с кварцем. Благодаря этому, а также из-за большей механической прочности турмалина возможно изготовление резонаторов на более высокие частоты.
В настоящее время турмалин почти не используется для изготовления пьезоэлектрических резонаторов и имеет ограниченное применение для измерения гидростатического давления.
Сегнетова соль. Пьезоэлементы из сегнетовой соли широко использовались в аппаратуре, работающей в сравнительно узком температурном интервале, в частности, в звукоснимателях. Однако в настоящее время они почти полностью вытеснены керамическими пьезоэлементами.
    Датчик положения зонда непрерывно отслеживает позицию зонда относительно образца и через систему обратной связи передает данные о ней в компьютерную систему, управляющую движением сканера. Для регистрации сил взаимодействия зонда с поверхностью обычно используют метод, основанный на регистрации отклонения луча полупроводникового лазера, отраженного от кончика зонда. В микроскопах такого типа отраженный пучок света падает в центр двух- или четырехсекционного фотодиода, включенного по дифференциальной схеме. Компьютерная система служит, кроме управления сканером, также для обработки данных от зонда, анализа и отображения результатов исследования поверхности.
    Как РІРёРґРёРј, структура РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїР° довольно проста. РћСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ интерес вызывает взаимодействие Р·РѕРЅРґР° СЃ исследуемой поверхностью. Рменно тип взаимодействия, используемый конкретным сканирующим зондовым РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРѕРј, определяет его возможности Рё сферу применения. (слайд) Как РІРёРґРЅРѕ РёР· названия, РѕРґРЅРёРј РёР· основных элементов сканирующего Р·РѕРЅРґРѕРІРѕРіРѕ РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїР° является Р·РѕРЅРґ. Общей чертой всех сканирующих зондовых РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРѕРІ является СЃРїРѕСЃРѕР± получения информации Рѕ свойствах исследуемой поверхности. Микроскопический Р·РѕРЅРґ сближается СЃ поверхностью РґРѕ установления между Р·РѕРЅРґРѕРј Рё образцом баланса взаимодействий определенной РїСЂРёСЂРѕРґС‹, после чего осуществляется сканирование.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), его строение и принцип действия
Первым прототипом СЗМ стал сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), изобретенный в 1981г. учеными исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе Герхардом Биннигом и Хайнрихом Рёрером. С его помощью впервые были получены реальные изображения поверхностей с атомарным разрешением, в частности реконструкция 7х7 на поверхности кремния (рис. 2).
 Рис.3 STM изображение поверхности монокристаллического кремния. Реконструкция 7 х 7
Все известные в настоящее время методы SPM можно условно разбить на три основные группы:
– сканирующая туннельная микроскопия; в СТМ в качестве зонда используется острая проводящая игла
Если между иглой и образцом приложить напряжение смещения, то при приближении острия иглы к образцу на расстояние порядка 1 нм между ними возникает ток туннелирования, величина которого зависит от расстояния "игла-образец", а направление - от полярности напряжения (рис. 4). При удалении острия иглы от исследуемой поверхности туннельный ток уменьшается, а при приближении - возрастает. Таким образом, используя данные о туннельном токе в некотором множестве точек поверхности, можно построить изображение топографии поверхности.
В
Рис.4 Схема возникновения тока туннелирования.
– атомно-силовая РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРёСЏ; РІ ней регистрируют изменения силы притяжения иглы Рє поверхности РѕС‚ точки Рє точке. Ргла расположена РЅР° конце консольной балочки (кантилевера), имеющей известную жесткость Рё СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕР№ изгибаться РїРѕРґ действием небольших ван-дер-ваальсовых СЃРёР», которые возникают между исследуемой поверхностью Рё кончиком острия. Деформацию кантилевера регистрируют РїРѕ отклонению лазерного луча, падающего РЅР° его тыльную поверхность, или СЃ помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего РІ самом кантилевере РїСЂРё РёР·РіРёР±Рµ;
– ближнепольная оптическая микроскопия; в ней зондом служит оптический волновод (световолокно), сужающийся на том конце, который обращен к образцу, до диаметра меньше длины волны света. Световая волна при этом не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка “вываливается” из его кончика. На другом конце волновода установлены лазер и приемник отраженного от свободного торца света. При малом расстоянии между исследуемой поверхностью и кончиком зонда амплитуда и фаза отраженной световой волны меняются, что и служит сигналом, используемым при построении трехмерного изображения поверхности.
Р’ зависимости РѕС‚ туннельного тока или расстояния между иглой Рё поверхностью - возможны РґРІР° режима работы сканирующего туннельного РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїР°. Р’ режиме постоянной высоты острие иглы перемещается РІ горизонтальной плоскости над образцом, Р° ток туннелирования изменяется РІ зависимости РѕС‚ расстояния РґРѕ него (СЂРёСЃ. 5Р°). Рнформационным сигналом РІ этом случае является величина тока туннелирования, измеренная РІ каждой точке сканирования поверхности образца. РќР° РѕСЃРЅРѕРІРµ полученных значений туннельного тока строится образ топографии.
 Рис. 5. Схема работы СТМ: а - в режиме постоянной высоты; б - в режиме постоянного тока
    В режиме постоянного тока система обратной связи микроскопа обеспечивает постоянство тока туннелирования путем подстройки расстояния "игла-образец" в каждой точке сканирования (рис. 5б). Она отслеживает изменения туннельного тока и управляет напряжением, приложенным к сканирующему устройству, таким образом, чтобы компенсировать эти изменения. Другими словами, при увеличении тока система обратной связи отдаляет зонд от образца, а при уменьшении - приближает его. В этом режиме изображение строится на основе данных о величине вертикальных перемещений сканирующего устройства.
    Оба режима имеют свои достоинства и недостатки. В режиме постоянной высоты можно быстрее получить результаты, но только для относительно гладких поверхностей. В режиме постоянного тока можно с высокой точностью измерять нерегулярные поверхности, но измерения занимают больше времени.
В В В В Рмея высокую чувствительность, сканирующие туннельные РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїС‹ дали человечеству возможность увидеть атомы РїСЂРѕРІРѕРґРЅРёРєРѕРІ Рё полупроводников. РќРѕ РІ силу конструктивных ограничений, РЅР° РЎРўРњ невозможно получить изображение непроводящих материалов. РљСЂРѕРјРµ того, для качественной работы туннельного РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїР° необходимо выполнения СЂСЏРґР° весьма строгих условий, РІ частности, работы РІ вакууме Рё специальной подготовки образца. Таким образом, хотя Рё нельзя сказать, что первый блин Биннига Рё Рёрера получился РєРѕРјРѕРј, РЅРѕ РїСЂРѕРґСѓРєС‚ вышел немного сыроват.
    Прошло пять лет и Герхард Биннинг совместно с Калвином Куэйтом и Кристофером Гербером изобрели новый тип микроскопа, названный ими атомно-силовым микроскопом (АСМ), за что в том же 1986г. Г. Бинниг и Х. Рёрер были удостоены Нобелевской премии в области физики. Новый микроскоп позволил обойти ограничения своего предшественника. С помощью АСМ можно получать изображения поверхности как проводящих, так и непроводящих материалов с атомарным разрешением, причем в атмосферных условиях. Дополнительным преимуществом атомно-силовых микроскопов является возможность наряду с измерениями топографии поверхностей визуализировать их электрические, магнитные, упругие и др. свойства.
Атомно–силовой микроскоп (АСМ), его строение и принцип действия
Важнейшей составляющей AСM (Атомно-силового микроскопа) являются сканирующие зонды – кантилеверы, свойства микроскопа напрямую зависят от свойств кантилевера.
Кантилевер представляет собой гибкую балку(175х40х4 мкм - усредненные данные) с определенным коэффициентом жесткости k (10-3 – 10 Н/м), на конце которой находится микро игла (рис 1). Диапазон изменения радиуса закругления R наконечника иглы с развитием AFM изменялся от 100 до 5 нм. Очевидно, что с уменьшением R микроскоп позволяет получать изображения с более высоким разрешением. Угол при вершине иглы a - также немаловажная характеристика зонда, от которой зависит качество изображения. a в различных кантилеверах меняется от 200 до700, не трудно предположить, что чем меньше a, тем выше качество получаемого изображения.
Р РёСЃ.6 Рзображение кантилевера NCS16
Качество Рё достоверность изображений зависят РѕС‚ физических Рё химических свойств Р·РѕРЅРґР°. Как правило, Р·РѕРЅРґС‹ изготавливаются РёР· Si, SiO2 РёSi3N4, также существуют Р·РѕРЅРґС‹ СЃ различными химическими покрытиями, Рѕ цели которых будет сказано ниже. Например, РїСЂРё сканировании РІ кантилевере РјРѕРіСѓС‚ возникнуть собственные механические колебания РёР·-Р·Р° возвратно-поступательных движений относительно образца. Для того чтобы этого избежать, необходимо повысить частоту собственных колебаний Р·РѕРЅРґР° w0. Рто, РІ СЃРІРѕСЋ очередь, достигается посредством уменьшения эффективной массы Р·РѕРЅРґР° meff Рё увеличения коэффициента жесткости системы k. Резонансная частота w0 определяется формулой:
,
поэтому для повышения w0 длина кантилевера (от которой зависит коэффициент жесткости) составляет порядка нескольких микрон, а масса не превосходит 10-10 кг. Резонансные частоты различных кантилеверов колеблются от 8 до 420 kГц.
Метод сканирования при помощи AFM следующий (рис 2): игла зонда находится над поверхностью образца, при этом зонд относительно образца совершает движения, подобно лучу в электроннолучевой трубке телевизора (построчное сканирование). Лазерный луч, направленный на поверхность зонда (которая изгибается в соответствии с ландшафтом образца), отразившись, попадает на фотоприемник, фиксирующий отклонения луча. При этом отклонение иглы при сканировании вызвано межатомным взаимодействием поверхности образца с ее наконечником. При помощи компьютерной обработки сигналов фотоприемника удается получать трехмерные изображения поверхности исследуемого образца.
В
Рис 7. Схема общего принципа работы атомно-силового микроскопа.
1 - кантилевер с иглой,
2- лазер,
3 – пьезоманипулятор точных перемещений,
4 – четырехсекционный фотодиод,
5 – острие, зондирующее образец.
В основе работы атомно-силовых микроскопов лежит использование различных видов силового взаимодействия зонда с поверхностью, а не эффекта туннелирования.
В В В В РќР° СЂРёСЃ. 6 схематически представлена кривая зависимости межатомной силы РѕС‚ расстояния между острием иглы Рё образцом. РџРѕ мере приближения иглы Рє поверхности атомы иглы начинают РІСЃРµ сильней притягиваться Рє атомам образца. Сила притяжения будет возрастать РґРѕ тех РїРѕСЂ, РїРѕРєР° атомы РЅРµ сблизятся настолько, что РёС… электронные облака начнут отталкиваться электростатически. РџСЂРё дальнейшем уменьшении межатомного расстояния электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Рти силы уравновешиваются РїСЂРё расстоянии между атомами РїРѕСЂСЏРґРєР° РґРІСѓС… ангстрем.
 Рис. 8. Зависимость силы межатомного взаимодействия от расстояния между острием и образцом
    Силы взаимодействия зонда с поверхностью разделяют на короткодействующие и дальнодействующие. Короткодействующие силы возникают на расстоянии порядка 1-10A при перекрытии электронных оболочек атомов острия иглы и поверхности быстро падают с увеличением расстояния. В короткодействующее взаимодействие с атомами поверхности вступает только несколько атомов (в пределе один) острия иглы. При получении изображения поверхности с помощью этого типа сил АСМ работает в контактном режиме.
Существуют контактный режим сканирования, когда игла зонда касается поверхности образца, прерывистый – зонд при сканировании периодически касается поверхности образца и бесконтактный, когда зонд находится в нескольких нанометрах от сканируемой поверхности (последний режим сканирования редко используется, т. к. силы взаимодействия зонда с образцом практически трудно зафиксировать).
Возможности СТМ
СТМ научили не только различать отдельные атомы, но и определять их форму. Многие еще не успели до конца осознать тот факт, что сканирующие туннельные микроскопы (СТМ) в состоянии распознавать индивидуальные атомы, как уже сделан следующий шаг: теперь стало возможным определение даже формы отдельного атома в реальном пространстве (точнее – формы распределения электронной плотности вокруг атомного ядра).
Ближнепольный оптический микроскоп, его строение и принцип действия
Ближнепольная оптическая микроскопия; в ней зондом служит оптический волновод (световолокно), сужающийся на том конце, который обращен к образцу, до диаметра меньше длины волны света. Световая волна при этом не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка “вываливается” из его кончика. На другом конце волновода установлены лазер и приемник отраженного от свободного торца света. При малом расстоянии между исследуемой поверхностью и кончиком зонда амплитуда и фаза отраженной световой волны меняются, что и служит сигналом, используемым при построении трехмерного изображения поверхности.
Если заставить свет пройти через диафрагму диаметром 50-100 нм и приблизить ее на расстояние несколько десятков нанометров к поверхности исследуемого образца, то, перемещая такой «источник света» по поверхности от точки к точке (и обладая достаточно чувствительным детектором), можно исследовать оптические свойства данного образца в локальной области, соответствующей размеру отверстия.
В Рменно так устроен сканирующий ближнепольный оптический РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРї (СБОМ). Роль отверстия (субволновой диафрагмы) обычно выполняет оптоволокно, РѕРґРёРЅ конец которого заострен Рё покрыт тонким слоем металла, везде, РєСЂРѕРјРµ небольшой области РЅР° самом кончике острия (диаметр «незапыленной» области как раз составляет 50-100 РЅРј). РЎ РґСЂСѓРіРѕРіРѕ конца РІ такой световод поступает свет РѕС‚ лазера.
Рис.9 Схема устройства ближнепольного оптического микроскопа
РЎ помощью СБОМ можно изучать оптические явления СЃ пространственным разрешением 30-50 РЅРј. РќР° СЂРёСЃСѓРЅРєРµ 2 РІРёРґРЅРѕ, как выглядит сама картина дифракции РїСЂРё фокусировании света 100-кратным объективом РІ обычном световом РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїРµ. Рскусственная гамма цветов РІ данном случае помогает лучше понять характеристики объекта: переход РѕС‚ зеленого Рє красному здесь – это половина высоты РїРёРєР° интенсивности сигнала, С‚.Рµ. размеры красного пятна показывают реальную разрешающую способность данной оптической системы (оптического РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїР°). Отличительной особенностью СБОМ является принципиальная необходимость работать СЃ очень слабыми сигналами.
Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило основой для развития нового направления нанотехнологии – зондовой нанотехнологии.
Литература
Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7 i 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space // Phys. Rev. Lett. 1983. Vol. 50, в„– 2. P. 120-123. Ртой знаменитой публикацией открылась СЌРїРѕС…Р° РЎРўРњ.
http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/1118.html
http://ru.wikipedia.org
http://www.ntmdt.ru/SPM-Techniques/Principles/aSNOM_techniques/Scanning_Plasmon_Near-field_Microscopy_mode94.html
http://scireg.informika.ru.
http://www.nanometer.ru/article_list.html
14
studfiles.net
Количество просмотров публикации Сканирующая туннельная микроскопия - 291
Принцип действия сканирующего туннельного РјРёРєСЂРѕСЃРєРѕРїР° (РЎРўРњ) довольно РїСЂРѕСЃС‚, РЅРѕ кардинально отличается РѕС‚ всœех предшествующих методик, применявшихся РІ физике поверхности. РўРѕРЅРєРѕРµ металлическое острие, смонтированное РЅР° электромеханическом РїСЂРёРІРѕРґРµ (X, Y, Z-позиционере), служит Р·РѕРЅРґРѕРј для исследования участков поверхности образца (СЂРёСЃ. 8.11, Р°). РљРѕРіРґР° такое острие подводится Рє поверхности РЅР° расстояние ВЈ 10 Г…, то РїСЂРё приложении между острием Рё образцом небольшого (РѕС‚ 0,01 РґРѕ 10 Р’) напряжения смещения Vsчерез вакуумный промежуток dzначинает протекать туннельный ток It РїРѕСЂСЏРґРєР° 10–9Рђ. Полагая, что электронные состояния (орбитали) локализованы РЅР° каждом атомном участке, РїСЂРё сканировании поверхности образца РІ направлении X Рё/или Y cодновременным измерением выходного сигнала РІ цепи Z Рјoжно получить картину поверхностной структуры РЅР° атомном СѓСЂРѕРІРЅРµ. Рта структура должна быть отображена РІ РґРІСѓС… режимах: измеряя туннельный ток Рё поддерживая расстояние dz РѕС‚ острия РґРѕ поверхности образца или измеряя изменения РІ положении острия (то есть расстояние РґРѕ поверхности образца) РїСЂРё постоянном туннельном токе (второй режим используется чаще).
Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, к примеру в растровом электронном микроскопе, а также в телœевизионной технике, а электронное туннелирование с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления СТМ (как и контактная спектроскопия). Все это делает СТМ уникальным микроскопом, который не содержит линз (а значит, изображение не искажается из-за аберраций), энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта͵ тогда как в электронной микроскопии высокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов.
В ноябре 1978 года будущие Нобелœевские лауреаты Бинниг и Рорер вернулись к идее использования вакуумного туннелирования для локальной спектроскопии тонких оксидных слоев на металлах. Для перемещения острия на малые расстояния и поддержания ширины вакуумного зазора с субангстремной точностью были использованы пьезоэлектрические материалы и система обратной связи (рис. 8.11, б).
Несмотря РЅР° СЃРІРѕСЋ простоту РІ принципе, конструирование Рё изготовление РЎРўРњ РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ остается трудной задачей. Даже РІ наши РґРЅРё существует немного лабораторий, располагающих РЎРўРњ, которые работали Р±С‹ СЃ истинно атомным разрешением. Р’СЃРµ РЎРўРњ можно разделить РЅР° РґРІРµ основные РіСЂСѓРїРїС‹: работающие РЅР° РІРѕР·РґСѓС…Рµ (или РІ РґСЂСѓРіРѕР№ среде) Рё РІ условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные РЎРўРњ, работающие РІ условиях криогенных температур. Размещено РЅР° реф.рфВ дальнейшем будем говорить только Рѕ сверхвысоковакуумных РЎРўРњ, работающих РїСЂРё комнатной температуре. Перечислим основные проблемы, стоящие перед разработчиками: 1) изоляция РѕС‚ акустических Рё механических вибраций; 2) создание быстродействующей малошумящей электроники, работающей РІ широком динамическом диапазоне; 3) обеспечение надежных сверхвысоковакуумных условий, допускающих различные манипуляции СЃ образцом; 4) изготовление тонких атомноВгладких острий-Р·РѕРЅРґРѕРІ Рё РёС… диагностика.
Рис. 8.11. а – принцип действия СТМ: рх, py, pz – пьезоэлементы; dz – туннельный вакуумный промежуток между острием-зондом и образцом; It – туннельный ток; б – схема, иллюстрирующая работу СТМ. Туннельный ток, возникающий при приложении напряжения Vs,поддерживается постоянным за счёт цепи обратной связи, которая управляет положением острия с помощью пьезоэлемента pz. Запись осциллограммы напряжения Vzв цепи обратной связи при одновременном воздействии пилообразного напряжения развертки вдоль осœей х и у образует туннельное изображение, являющееся своего рода репликой поверхности образца
Для решения первоначально казавшейся непреодолимой проблемы виброизоляции Бинниг и Рорер в своей первой конструкции использовали даже сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла. В дальнейшем эту проблему удалось решить используя специальную подвеску в вакууме всœего микроскопа на длинных пружинах и разместив сканирующий узел на массивном виброизолирующем столике. Для подвода острия-зонда к образцу на расстояние dz, равное нескольким ангстремам, и сканирования вдоль поверхности использовался пьезодвигатель на базе пьезоэлектриков - ϶ᴛᴏ такие материалы, которые изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения (рис. 8.11, а).
Схема, демонстрирующая устройство СТМ и его работу, приведена на рис. 8.11, б. На пьезоэлемент pz подается напряжение с выхода усилителя обратной связи, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ определяет величину зазора между образцом и острием и тем самым величину туннельного тока. Сам туннельный ток должен быть всœе время пропорционален заданному току, что поддерживается благодаря управляемой компьютером цепи обратной связи. На пьезоэлементы рхи рупод управлением того же компьютера подаются пилообразные напряжения, формирующие строчную и кадровую развертки (растр) подобно тому, как это осуществляется в телœевидении. Осциллограммы напряжения Vzзапоминаются компьютером, после чего преобразуются в зависимость z(x, у),отображающую траекторию движения острия и, таким образом, являющуюся туннельным изображением поверхности образца. Как правило, записанные сигналы подвергаются фильтрации и дополнительной компьютерной обработке, позволяющей представить туннельные изображения в режиме так называемой серой шкалы, в котором контраст изображения коррелирует с рельефом поверхности: светлые пятна соответствуют более высоко расположенным областям и наоборот. Рв процессе работы даже с первым вариантом СТМ в марте 1981 года (всœего через 27 месяцев после того, как была сформулирована его базовая концепция!) была экспериментально доказана характерная для туннелирования экспоненциальная зависимость тока It от расстояния dzострие–образец. День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии.
Основная область применения СТМ – физика поверхности твердых тел. Уже первые эксперименты по исследованию поверхности золота͵ относительно которой из данных ДМРбыло известно, что она испытывает реконструкцию 1´2, позволили наблюдать различные сверхструктуры и ступеньки моноатомной высоты, что бесспорно свидетельствовало о разрешении прибора порядка нескольких ангстрем (сами исследователи ожидали получить геометрическое разрешение по плоскости наблюдения не более 45 Å). Рстало ясно, что в руках ученых появился уникальный инструмент, позволяющий наблюдать на поверхности отдельные атомы. Но чтобы убедить широкие круги научной общественности в том, что получаемые данные являются реальными экспериментальными результатами, а не данными компьютерного моделирования, понужнобилось провести исследование поверхности кремния. Полученное изображение поверхности Si (111)-7x7 стало ярким доказательством атомных возможностей СТМ.
referatwork.ru