Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии

• Название: Введение в нанотехнологии
• Дата: 16.10.2022
• Размер: 5.09 Mb.
• Имя файла: Лекции_Введение_в_нанотехнологии.doc
• Тип: Документы; #737269
• страница: 8 из 24

Глава 3. Инструменты нанотехнологий. Сканирующая зондовая микроскопия

Просвечивающий и растровый электронные микроскопы позволили исследовать объекты микро- и нанометровых размеров. Развитие методов электронной микроскопии продолжается и по сей день. Однако сложности технического характера и фундаментальные ограничения этого метода заставили искать новые способы, позволяющие еще глубже заглянуть в структуру наноматериалов.

Этим новым способом оказалась сканирующая зондовая микроскопия, которая подразделяется на атомно-силовую и туннельную. Их объединяет общая деталь конструкции – зонд, который представляет собой иглу с очень острым концом – всего несколько атомных радиусов. В атомно-силовой микроскопии в каждой точке сканируемой области образца измеряется сила взаимодействия зонда с поверхностью.

Для объяснения принципов работы зондовой микроскопии будем говорить о силе взаимодействия между зондом и образцом, которая может относиться к механическому, электрическому, магнитному и другим видам взаимодействия.

На рис. 3.6 видно как изменяется расстояние между острием зонда и поверхностью образца при движении зонда над поверхностью.



Рис. 3.6. Изменение расстояния между зондом и поверхностью образца при перемещении зонда над атомами поверхности

Силы взаимодействия сильно убывают с увеличением расстояния между атомами. Наибольший вклад во взаимодействие зонда и образца вносит сила, возникающая между атомом на острие зонда и ближайшими атомами образца. Если научится передвигать зонд на расстояние меньше, чем половина атомного радиуса, и измерить, как при этом изменится сила взаимодействия, то можно «почувствовать» отдельные атомы на поверхности. Зонд перемещается от точки к точке на поверхности образца, замеряя силу взаимодействия. Этот процесс называют сканированием образца. Данные, собранные при сканировании, обрабатываются компьютером. В результате получается рисунок поверхности, на котором видно расположение отдельных атомов.

Таким образом, для того чтобы увидеть атомы с помощью СМЗ, нужно:

• 
  научится передвигать зонд (или образец) на расстояния меньшее, чем размеры атомов;
  
• 
  заострить его конец до размеров одного атома;
  
• 
  научится измерять силу взаимодействия между отдельными атомами.
  

Полученная картина распределения этих сил визуализируется на экране компьютера, что позволяет судить о топологии поверхности. В туннельной микроскопии в каждой точке сканируемой области образца измеряется туннельный ток между зондом и проводящей поверхностью. Поэтому в туннельной микроскопии могут применяться только проводящие материалы – металлы или полупроводники.

Общая схема работы зондового микроскопа показана на рис. 3.7.

Перед началом проведения измерения система грубого подвода и позиционирования зонда постепенно приближает зонд к образцу и достигает расстояний порядка нескольких нанометров. Далее под управлением электроники взаимодействие зонда и поверхности измеряется с очень высокой точностью, в результате чего положение зонда корректируется относительно поверхности образца с точностью до тысячных долей нанометра.



Рис. 3.7. Обобщенная структурная схема сканирующего зондового микроскопа [5]

И только после этого начинается само измерение топологии поверхности образца – зонд шаг за шагом проходит каждую точку поверхности в заданной области сканирования, проводит измерения либо туннельного тока, либо силы взаимодействия и передает эти данные на компьютер. Сканирующее устройство после проведения измерения в точке передвигает зонд в соседнюю точку поверхности на расстояние порядка нанометра.

Таким образом, поверхность сканируется и получается изображение, которое несет информацию не только о топологии, но и других локальных характеристиках поверхности, таких как сопротивление, емкость, жесткость и прочих с атомарной точностью. Полученное при помощи компьютерной обработки изображение принято называть сканом.

Исторически родоначальниками сканирующей зондовой микроскопии стали Г. Бинниг и Г. Ререр из лаборатории IBM, которые в 1981 году представили свое изобретение – сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Позднее, когда результаты их работы удалось воспроизвести в других лабораториях, они были удостоены Нобелевской премии за работы в области физики.