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: 9 из 24

Глава 3. Инструменты нанотехнологий. Сканирующая туннельная микроскопия

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) исторически является предшественником всех сканирующих зондовых микроскопов. СТМ был первым устройством, давшим реальные изображения поверхностей с атомным разрешением (рис. 3.8).

Принцип его действия заключается в измерении туннельного тока. Электрический ток может возникать в различных средах и иметь различную природу. Например, потоки ионов в электролите, поток заряженных частиц в ускорителе, электрический ток в проводах. Туннельный ток возникает между зондом и образцом, если приложить напряжение, несколько меньше, чем нужно для отрыва электронов из образца. В силу законов квантовой механики, вероятность выхода электрона с поверхности все же существует. Главная в данном случае особенность туннельного тока – экспоненциальная зависимость от расстояния между поверхностью образца и зондом.



Рис. 3.8. Поатомное изображение поверхности монокристаллического кремния, полученное Г. Ререром и Г. Биннингом

Технически работа микроскопа происходит следующим образом. Между острием иглы и образцом прикладывается рабочее напряжение порядка 1 В, и при подводе острия к образцу примерно на 0,5-1,0 нм электроны с образца начинают «туннелировать» через зазор к острию (рис. 3.9). Игла движется над поверхностью и сканирует образец. На основании данных о величине тока в каждой точке восстанавливается рельеф поверхности.



Рис. 3.9. Схема работы сканирующего туннельного микроскопа [4]

Чтобы обеспечить протекание тока, и образец, и острие должны быть проводниками или полупроводниками. Изображений диэлектриков СТМ дать не может. Останавливаясь на физических принципах, положенных в основу работы СТМ, отметим, что процесс туннелирования электронов происходит при перекрытии волновых функций атомов острия сканирующей иглы и поверхности. Туннельный ток между двумя металлическими телами в соответствии с формулой туннельного эффекта описывается уравнением:

I = 10exp(–C(jz)1/2),

где C – постоянная, равная 10,25 эВ^–1/2 нм^–1; j – высота потенциального барьера; z – расстояние между электродами, I – ток туннелирования.

При типичной высоте потенциального барьера j около 4 эВ туннельный ток снижается на порядок, если зазор z уменьшается на 0,1 нм. Эти свойства и являются причиной того, что острие туннельного микроскопа обычно должно находится так близко к образцу – на расстоянии 0,5-1 нм. Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния придает СТМ очень высокую чувствительность: считается, что с помощью туннелирования можно измерять объекты порядка 0,001 нм.

Основное приложение СТМ – это измерения рельефа. Именно благодаря своей чрезвычайно высокой чувствительности СТМ способен формировать изображения поверхностей с точностью до сотых долей нанометра по вертикали и с точностью до размеров атомов по горизонтали.

На основе общего принципа работы СТМ (принципа измерения туннельного тока) разработан ряд методик, которые применяются для исследований различных материалов и образцов.

1. Режим постоянной высоты

В режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирования изменяется (рис. 3.10 а). Исходя из данных о величинах тока туннелирования, промеренных в каждой точке сканирования поверхности образца, строится образ топографии.

2. Режим постоянного тока

В режиме постоянного тока СТМ используется система обратной связи для поддержания постоянного тока путем подстройки высоты сканирующего устройства над поверхностью в каждой точке (рис. 3.10 б). Например, когда система детектирует увеличение туннельного тока, то она подстраивает напряжение, прикладываемое к пьезоэлектрическому сканирующему устройству, так, чтобы отвести острие дальше от образца. В режиме постоянного тока визуализация топографии осуществляется на основании данных о величине вертикальных перемещений сканирующего устройства. Если система поддерживает ток туннелирования постоянным в пределах нескольких процентов, то расстояние между острием и образцом будет постоянным с погрешностью в несколько сотых долей нанометра.

У каждого режима есть преимущества и недостатки. Режим постоянной высоты более быстрый, так как системе не приходится передвигать сканирующее устройство вверх и вниз, но при этом можно получить полезную информацию только с относительно гладких поверхностей. В режиме постоянного тока можно с высокой точностью измерять нерегулярные поверхности, но измерения занимают больше времени.



Рис. 3.10. Схема работы СТМ: а) в режиме постоянной высоты; б) в режиме постоянного тока

Очевидно, что от качества иглы и радиуса ее острия будет зависеть качество получаемого скана и разрешающая способность СТМ. Промышленные зонды имеют радиус острия иглы порядка нескольких атомных слоев.