Туннельный сканирующий микроскоп принцип действия и его возможности. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ)

Агафонов Кирилл

Проектно-исследовательская работа

Скачать:

Предварительный просмотр:

ГОУ Средняя общеобразовательная школа №301

Московский Государственный Технологический Университет

“Станкин”

Проектно-исследовательская работа

на тему:

“Туннельный микроскоп как инструмент нанотехнологий”

Выполнил: ученик 11а класса

Агафонов Кирилл Сергеевич

Научный руководитель: кандидат технических наук

Богомолов Алексей Валентинович

Учитель физики: магистр техники и технологий

Пестрецов Владимир Викторович

Москва, 2006г.

1.Введение…………………………………………………..3

2. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа…………………………………………………4

2.2. Что такое туннельный эффект?....................................4

3. Технические возможности туннельного микроскопа...9

3.2. Области применения………………………………….10

4. Нанотехнологии. Перспективы развития…………...…12

5.Заключение…………………………………………….…16

6.Список литературы………………………………………17

1. Введение.

Физика поверхностных явлений в настоящее время является одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки. Именно на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твердого тела основаны успехи современных микро и наноэлектроники , исследование разнообразных электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел. Остается актуальной задачей и заветное желание ученых на протяжении многих лет - непосредственное наблюдение за поведением отдельных атомов на поверхности твердого тела и изучение процессов с участием одиночных или небольших групп атомов.

Первостепенное значение для понимания свойств любого объекта имеет знание его атомной структуры, поэтому определение поверхностных структур - один из наиболее важных разделов физики поверхности. Последние 30 лет микроструктура поверхностей твердых тел интенсивно изучалась методами дифракции и рассеяния электронных и ионных пучков. Однако большинство этих методов первоначально разрабатывалось для исследования объемной структуры твердых тел, поэтому они не всегда годятся для получения информации о структуре поверхности, тем более на атомном уровне. Изобретение в 1982 году Г. Биннигом и Г.Рорером сканирующего туннельного микроскопа , который не накладывает ограничений на размеры образцов, реально открыло двери в новый микроскопический мир.

2 . Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа .

По своей природе электрон обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Расчеты показывают, что волновые функции электронов в атоме отличны от нуля и за пределами сферы, соответствующие поперечнику эффективного сечения атома (размеру атома). Поэтому при сближении атомов волновые функции электронов перекрываются раньше, чем начинает существенно сказывается действие межатомных сил отталкивания. Появляется возможность перехода электронов от одного атома к другому. Таким образом, возможен обмен электронами и между двумя телами, сближенными без соприкосновения, то есть без механического контакта.

1. у одного тела должны быть свободные электроны (электроны проводимости), а у другого – незаполненные электронные уровни, куда могли бы перейти электроны;
2. между телами требуется приложить разность потенциалов, и её величина несоизмерима мола в сравнении с той, что требуется для получения электрического заряда при пробе воздушного диэлектрического зазора между двумя телами.

Электрический ток, возникающий при заданных условиях, объясняется туннельным эффектом и называется туннельным током.

2.2. Что такое туннельный эффект?

Туннельным эффектом называется возможность элементарной частице,

Например электрону, пройти (протуннелировать) через потенциальный барьер, когда энергия барьера выше полной энергии частицы. Возможность существования туннельного эффекта в микромире была понята физиками в период создания квантовой механики, в 20-30-х годах нашего века. В дальнейшем за счёт туннельного эффекта были объяснены некоторые весьма важные явления, обнаруженные экспериментально в различных областях физики.

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно прост, но кардинально отличается от всех предшествующих методик, применявшихся в физике поверхности. Тонкое металлическое острие, смонтированное на электромеханическом приводе ( X , Y , Z -позиционере), служит зондом для исследования участков поверхности образца (рис. 1 а ). Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние , то при приложении между острием и образцом небольшого (от 0,01 до 10 В) напряжения смещения V s через вакуумный промежуток начинает протекать туннельный ток I t порядка 10 -9 . Полагая, что электронные состояния локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении X и / или Y с одновременным измерением выходного сигнала в цепи можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне.

Существуют два варианта режима работы СТМ: режим постоянной высоты и режим постоянного тока.

При работе в режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над исследуемой поверхностью (рис.2а). Туннельный ток при этом изменяется и по этим изменениям легко может быть определен рельеф поверхности образца.

При работе в режиме постоянного тока (рис.2б) используется система обратной связи, которая поддерживает постоянным туннельный ток за счет перемещения острия иглы в вертикальном направлении. В этом случае информация о рельефе поверхности получается на основании данных о перемещении иглы.

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.

Несмотря на свою простоту, конструирование и изготовление СТМ до сих пор остается трудной задачей. Даже в наши дни существует немного лабораторий, располагающих СТМ, которые работали бы с истинно атомным разрешением. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные СТМ, работающие в условиях криогенных температур. В дальнейшем будем говорить только о сверхвысоковакуумных СТМ, работающих при комнатной температуре. Перечислим основные проблемы, стоящие перед разработчиками:

1) изоляция от акустических и механических вибраций;

2) создание быстродействующей малошумящей электроники, работающей в широком динамическом диапазоне;

3) обеспечение надежных сверхвысоковакуумных условий, допускающих различные манипуляции с образцом;

4) изготовление тонких атомногладких острий-зондов и их диагностика.

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 всего микроскопа на длинных пружинах и разместив сканирующий узел на массивном виброизолирующем столике. Для подвода острия-зонда к образцу на расстояние , равное нескольким ангстремам, и сканирования вдоль поверхности использовался пьезодвигатель на основе пьезоэлектриков - это такие материалы, которые изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения (рис. 1 а).

Схема, демонстрирующая устройство СТМ и его работу, приведена на рис 1б. На пьезоэлемент p z подается напряжение с выхода усилителя обратной связи, которое определяет величину зазора между образцом и острием и тем самым величину туннельного тока. Сам туннельный ток должен быть все время пропорционален заданному току, что поддерживается благодаря управляемой компьютером цепи обратной связи. На пьезоэлементы p x и p y под управлением того же компьютера подаются пилообразные напряжения, формирующие строчную и кадровую развертки (растр) подобно тому, как это осуществляется в телевидении. Осциллограммы напряжения V z запоминаются компьютером, после чего преобразуются в зависимость z (x , y ), 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. И в процессе работы даже с первым вариантом СТМ в марте 1981 года (всего через 27 месяцев после того, как была сформулирована его базовая концепция!) была экспериментально доказана характерная для туннелирования экспоненциальная зависимость тока I t от расстояния острие-образец. День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии.

3. Технические возможности туннельного микроскопа.

Основными техническими характеристиками СТМ являются разрешение по нормали к исследуемой поверхности объекта и разрешение в плоскости XY. Реальное разрешение СТМ зависит от ряда факторов, основными из которых являются внешние вибрации, акустические шумы и качество приготовления зондов. На рис.3 показана структура свежего скола по кристаллографической плоскости высокоориентированного пиролитического графита.

Изображения структур на рис. 3, а, б, в получены в условиях низкого, среднего и высокого уровней помех.

Рис. 3. Изображение структуры поверхности свежего скола по кристаллографической плоскости (0001) высокоориентированного пиролитического графита при разных уровнях помех а, б, в.

Изображение структуры на рис.3, в получено в обычных лабораторных условиях, то есть при высоких уровнях помех.

Помимо разрешения микроскопа его важной характеристикой является полезное увеличение. Для СТМ полезное увеличение составит около 7 млн. раз (для сравнения: у оптического микроскопа - 1000 раз).

Другая важная характеристика СТМ – максимальный размер поля сканирования в плоскости XY и максимальное перемещение зонда по нормали к поверхности. Первые конструкции СТМ имели очень малое поле сканирования (не более 1 1 мкм).

Технические возможности СТМ могут быть существенно расширены. С этой целью проводят энергетический анализ туннелирующих электронов, т.е. получают спектральную зависимость туннельного тока.

3.2. Области применения .

1. Физика и химия поверхности на атомном уровне .

С помощью туннельной микроскопии удалось осуществить реконструкцию атомного строения поверхности многих материалов. СТМ позволяет получать спектр электронных состояний с атомным разрешением и определять химический состав поверхностного слоя, распределение потенциалов при протекании тока через образец и др.

2. Нанометрия – исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности образца.

3. Нанотехнологии – исследование, изготовление и контроль приборных структур в микроэлектронике.

На основе СТМ, в частности, возможны запись и воспроизведение информации. При записи используют эффект локального воздействия зонда на поверхность носителя информации. Это воздействие может быть механическим, создающим на поверхности искусственный рельеф в виде ямок – битов памяти. Искусственный рельеф может создаваться и путём термодесорбции. В этом случае зонд выступает в роли носителя материала для создания битов информации. Зонд может использоваться также и в роли точечного источника электронов для осуществления электронной литографии, химических или структурных локальных перестроек поверхности.

При записи информации методом электронной литографии (нанолитографии) через острие зонда пропускают кратковременно большой силы туннельный ток I т при повышенной разности потенциалов U , происходит эмиссия электронов или ионов с острия на поверхность объекта или наоборот, и образуются на поверхности ямки или впадины, которые и несут бит информации. Плотность записи достигает до 10 12 бит/см 2 . Для сравнения: плотность записи на современном накопителе информации, где использован магнитный эффект (магнитные диски), составляет 10 7 бит/см 2 , при лазерном воздействии (компакт диски - CD) – до 10 9 бит/см 2 .

4. Исследование биологических объектов – макромолекул (в том числе и молекул ДНК), вирусов и других биологических структур.

Следует отметить, что большая часть (примерно 80%) всех опубликованных работ относится к первой группе областей применения СТМ. В последнее время увеличивается количество публикаций относящихся к четвёртой группе.

5. СТМ имеет широкие перспективы в области материаловедения - при изучении микро-, суб- и кристаллических структур различных материалов. Объектами для исследования структуры материалов на СТМ могут служить, как и в других случаях (оптическая и электронная микроскопия), микрошлифы. Рельеф микрошлифа, получаемый при травлении, будет отражать структуру материала. Исследование рельефа на СТМ с высоким разрешением позволит выявить особенности, прежде всего, субструктурного строения. Представляется, что метод сканирующей туннельной микроскопии откроет широкие возможности для исследования дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций и т.д.), различных сегрегаций атомов, в том числе и при фазовых превращениях, особенно на их ранних стадиях. Определение, наряду с изучением структуры материала, химического состава локальных зон поверхностного слоя объекта (СТМ-спектроскопия), позволит составить конкуренцию растровой электронной микроскопии, микрорентгеноструктурному анализу, превосходя последний по уровню разрешения.

Работ в области материаловедения, особенно фундаментального характера, с использованием СТМ пока крайне мало. В настоящее время имеются работы по исследованию на СТМ некоторых металлов и сплавов, плёнок металлов толщиной от 0,5 нм, дифракционных решёток (изготовленных методами микроэлектроники и голографии), полупроводников, ферритовых головок, усталостных трещин в металлических материалах, углеродных микропористых фильтров, алмазоподобных плёнок, металлических монокристаллов, теплоизолирующих материалов на основе спечённых кварцевых волокон, порошковых материалов, алмаза и других природных камней, фуллеренов и подобных им образований, плёнок жидких кристаллов и др. Эти исследования в основном связаны с выявлением структуры различных материалов.

4 . Нанотехнологии. Перспективы развития.

Физики исследовательского центра компьютерного концерна IBM Almaden в Калифорнии решили применить для разработки новых вычислительных систем на нанометровом и атомарном уровне принцип домино. Роль камней домино выполняют молекулы, которые при "падении" образуют цепочки, позволяющие производить математические операции.
Для своих исследований ученые используют сканирующий туннельный микроскоп – изобретение немецкого физика Герда Биннинга (Gerd Binning), получившего за него Нобелевскую премию в 1986 году. Намагниченная игла микроскопа приближается почти вплотную к поверхности носителя, между ними – вследствие так называемого туннельного эффекта – возникает электрический ток. Его величина поддерживается на одном и том же уровне. По мере продвижения вдоль носителя игла то удаляется от поверхности, то приближается к ней, как бы "прощупывая" своеобразный атомарный "рельеф".
По большому счету, туннельный микроскоп во многом напоминает знакомый с детства проигрыватель пластинок, только в нём игла бежит не по неровностям виниловой дорожки, а по атомам поверхности носителя. Исследование рельефа проходит без непосредственного соприкосновения с поверхностью, но несмотря на это, исследователям уже удается перемещать атомы с места на место, выстраивая из них некое подобие детского конструктора Lego. Игла проигрывателя несёт по поверхности пластинки крохотные частицы пыли, как бы толкая их перед собой. То же самое способен проделывать и туннельный микроскоп, только с микрочастицами.
Уже давно физикам IBM удалось выложить фирменный знак (рис.4) своего концерна из отдельных атомов.

Рис. 4. Фирменный знак IBM.

Однако это, можно сказать, ничто по сравнению с результатами, которых недавно добился руководитель лаборатории Андреас Хайнрих (Andreas Heinrich):
"Мы показали, что способны не только рисовать на поверхности атомарные граффити, но и выстраивать активные логические структуры из отдельных атомов, что позволит в будущем использовать подобные технологии для создания сверхминиатюрных компьютеров".
Хайнрих и его коллеги работают не с атомами, а с незначительно превышающими их по размерам молекулами угарного газа. Согласно определённой схеме ученые расположили 550 молекул на поверхности с медным покрытием. Андреас Хайнрих приводит для наглядности аналогию с костяшками домино, падающими в определенной последовательности или остающимися стоять на поверхности стола. У костяшек есть всего две возможности – они или лежат, или стоят. Так же и с молекулами окиси углерода: они или остаются на своем месте или сдвигаются на одну позицию дальше.
По словам Андреаса Хайнриха, расстояние между двумя позициями составляет четверть нанометра. Молекула "перепрыгивает" на следующую позицию и сталкивает соседнюю молекулу с места. Таким образом возникает цепная реакция.
И самое важное: Хайнрих установил молекулы так, что они могут взаимодействовать друг с другом, встречаясь в условленных пунктах. Эти "места встреч" и являются элементами логических цепочек. Они справляются с простыми вычислительными операциями такими, например, как логическое умножение:
"Логическое умножение предусматривает два входных импульса и один выходной. Возникновение выходного импульса возможно лишь при подаче обоих входных. Это означает, что если поступил только один из них, то выходного импульса не будет".

В общей сложности физики выстроили шесть различных логических операций. Они соединены определенным образом и представляют собой своего рода вычислительную машину. Действие этого захватывающего представления разворачивается на поверхности размером в 12 на 17 нанометров. Для сравнения: в сегодняшних компьютерных чипах один транзистор занимает площадь в 2.000х2.000 нанометров. Итак, вычисления на нанометровом уровне стали реальностью.
Однако впадать в эйфорию рано. У этой многообещающей технологии есть один существенный недостаток: так же, как и ряды из костяшек домино, которые можно опрокинуть лишь один раз, исследователи вынуждены всё время выстраивать наши структуры от молекулы к молекуле. То есть, для того, чтобы произвести новое вычисление, необходимо при помощи туннельного микроскопа заново приводить каждую молекулу в её первоначальное состояние. А длится этот процесс может часами. Так что пока конкурировать с "Пентиумом" нано-домино не в состоянии:
"Необходимо иметь в виду, что речь здесь идет не о презентации готовой компьютерной технологии. Важно то, что эксперимент доказал возможность создания компьютерных систем на атомарном уровне".
Ученый поделился своими планами на будущее. Вместо того, чтобы приводить в движение молекулы механическим путем, физики при помощи электромагнитных полей будут менять направление вращения ядер атомов - "ядерные спины". Этим уже занимаются исследователи бостонской лаборатории MIT Media Lab, работающие над созданием так называемых "квантовых компьютеров", которые также работают со специальными молекулами.

5. Заключение .

Мы кратко рассмотрели историю создания СТМ и получения структурных и электронных изображений поверхности с атомным разрешением. С момента своего изобретения СТМ широко используется учеными самых разных специальностей, охватывающих практически все естественнонаучные дисциплины, начиная от фундаментальных исследований в области физики, химии, биологии и до конкретных технологических приложений. Принцип действия СТМ настолько прост, а потенциальные возможности так велики, что невозможно предсказать его воздействие на науку и технику даже ближайшего будущего.

6. Список литературы .

1. От субмикронной к нанотехнологии. / Ю.С.Борисов, В.В.Ракитин, Н.С.Самсонов/

2. Физические основы полупроводниковой нанотехнилогии. /Белявский В.И./

3. Нанотехнология с помощью СТМ. /Неволин В.К., Хлебников Ю.В., Шермегор Т.Д. /

4. Нанологические процессы и установки. /Лускинович П.Н./

5. Наноиндустрия и микросистемы. /Алексенко А.Г/

6. СТМ – измерительное средство нонотехнологии./А.Бычихин, М.О.Галлямов, В.В.Потёмкон, А.В.Степанов, И.В.Яминский/

Стр. из

В связи с этим неоспоримым достижением стало открытие 1982 году (момент опубликования в Phys. Rev. Lett.) Генрихом Рорером и Гердом Биннигом метода сканирующей туннельной микроскопии, которая положила начало развитию сканирующей зондовой микроскопии. Работая над микроскопическими исследованиями роста и электрических свойств тонких диэлектрических слоев в лаборатории IBM в Рюмликоне в Швейцарии, авторы думали использовать туннельную спектроскопию. В то время были известны работы Янга о полевом излучающем микроскопе, Томпсона по туннелированию в вакууме с управляемым остриём, так что мысль о способности измерения с помощью эффекта туннелирования не только спектроскопических свойств поверхности, но и её рельефа, была основана на трудах немалого количества исследователей.

И вот когда авторы получили атомное изображение давно волновавшей всех поверхности кремния с периодом 7 на 7, -- в 1986 году мир отметил их Нобелевской премией. Множество трудностей, которые усложняли исследование образцов в СТМ, побудили к 1986 году разработать их первый атомно-силовой микроскоп, который мог использовать те самые силы взаимодействия между образцом и остриём, которые так мешали в случае СТМ. Атомно-силовой микроскоп позволял проводить измерения не только в вакууме, но и в атмосфере, заранее заданном газе и даже сквозь плёнку жидкости, что стало несомненным успехом для развития биологической микроскопии. Так было положено начало эры сканирующей зондовой микроскопии. Вскоре была представлена микроскопия ближнего поля, которая задействовала оптические волны для разрешения объектов до 10 ангстремм.

Преимущества и недостатки сканирующей зондовой микроскопии по отношению к другим методам диагностики поверхности

Перемещаясь в плоскости образца над поверхностью, «кантилевер» изгибается, отслеживая ее рельеф. Однако при сканировании образца в контактном режиме поверхность образца частично повреждается, а разрешение метода оказывается достаточно низким. Разработка методов полуконтактного и бесконтактного сканирования, когда, зонд входит в контакт с поверхностью только в нижней точке траектории собственных резонансных колебаний или не входит в контакт вообще, позволили увеличить разрешение АСМ, значительно снизив давление на образец со стороны зонда. Для регистрации отклонения «кантилевера» предложены различные системы, основанные на использовании емкостных датчиков, интерферометров, систем отклонения светового луча или пьезоэлектрических датчиков. В современных приборах угол изгиба «кантилевера» регистрируется с помощью лазера, луч которого отражается от внешней стороны консоли и падает на фотодиодный секторный датчик (Рис.2). Система обратной связи отслеживает изменение сигнала на фотодетекторе и управляет «системой нанопозицонирования». Использование «пьезодвигателей» и атомно-острых зондов позволяет добиться атомного разрешения АСМ в высоком вакууме (рис. 3).

Помимо непосредственного исследования структуры поверхности методом контактной АСМ, можно регистрировать силы трения и адгезионные силы. В настоящее время разработаны многопроходные методики, при которых регистрируется не только топография, но и электростатическое или магнитное взаимодействие зонда с образцом. С помощью этих методик удается определять магнитную и электронную структуру поверхности, строить распределения поверхностного потенциала и электрической емкости, и т.д. (рис. 3). Для этого используют специальные «кантилеверы» с магнитными или проводящими покрытиями. АСМ также применяются для модификации поверхности. Используя жесткие зонды, можно делать гравировку и проводить «наночеканку» - выдавливать на поверхности крошечные рисунки. Применение жидкостной атомно-силовой микроскопии позволяет локально проводить электрохимические реакции, прикладывая потенциал между зондом и проводящей поверхностью (рис. 2), а также открывает возможность применения АСМ для исследования биологических объектов (рис. 4).

Необходимо было решить множество технических проблем: как избежать механических вибраций, приводящих к столкновению острия с поверхностью (мягкая подвеска), какие силы действуют между образцом и остриём (к созданию АСМ), как перемещать остриё с такой высокой точностью (пьезоэлектрик), как приводить образец и остриё в контакт (специальный держатель), как избежать тепловых флуктуаций (использование не нитевидных кристаллов с большими упругими константами, низкие темепературы), форма острия и её получение (на поверхности основного острия существуют миниострия -- сначала использовались они, потом с помощью самого процесса туннелирования -- сильное вакуумное электрическое поле при напряжении всего лишь несколько вольт вызвало миграцию ионов (испарение).

Принципиальным свойством электронной, оптической, ядерной микроскопий является, то что каждая частица, провзаимодействовавшая с образцом, будь то атом или субатомные объекты, является зондом. Однако, у данного метода есть свои минусы и плюсы. Так квантовый принцип неопределённости, гласящий, что определение одновременно импульса и координаты объекта исследования, возможно только с определённой точностью, заставляет увеличивать импульс регистрирующих частиц (энергию), что связано с созданием специальных технологий. Увеличение импульса регистрирующих частиц (например, электроны в ПЭМ достигают энергий до 1000 КэВ) создаёт проблемы с устойчивостью объекта к разрушению. Однако плюсом является тот факт, что одновременно получается информация сразу с относительно большого участка поверхности, что позволяет использовать данный метод для in-situ исследований. Так же главным недостатком данного вида микроскопии можно назвать условие относительного вакуума, для получения более менее качественного изображения.

Атомно-силовая микроскопия позволяет обрабатывать образцы в атмосфере, однако, главным её недостатком является отсутствие одновременной информации о всей поверхности, -- в каждый момент времени мы имеем информацию только от участка непосредственно регистрируюемого зондом. Это не позволяет использовать in-situ методику. Атомно-силовая микроскопия позволяет получать информацию о поверхностном заряде, о поверхностной емкости, о поверхностной проводимости, о магнитных свойствах. Позволяет измерять эти параметры даже сквозь плёнку жидкости .

Режимы сканирования

Существуют контактный, безконтактный и полуконтактный или резонансный режимы сканирования поверхности.

Контактный метод заключается в том, что кантилевер непосредственно касается поверхности и повторяет её форму по мере прохождения поверхности.

Бесконтактный и полуконтактный режим характеризуются дополнительным условием сканирования, которое позволяет осуществить более щадящее и более тонкое сканирование поверхности. Кантилевер жестко связывается с отдельным пъезоэлементом и колеблется со своей резонансной частотой. При взаимодействии с поверхностью сбивается фаза, и специальный синхронный детектор старается выровнять частоту с помощью сигнала обратной связи. Таким образом, теперь детектируется кроме отклонения амплитудного также отклонение фазовое. В этом режиме кантилевер как бы постукивает по поверхности.

Основные моды работы:

1. Контактная мода.

Топография. F=const.

Измерение сил. Z=const.

Измерение сил трения.

Измерение локальной жесткости (модуляционная методика).

Измерение сопротивления растекания.

Резонансная мода.

Топография.

Фазовый контраст.

Магнито-силовая микроскопия.

Электристатическо-силовая микроскопия.

2. Бесконтактная мода.

Литография.

Механическая.

Электрическая.

Достижения в мире АСМ

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 .

Сканирующая туннельная микроскопия (STM) - это рабочий режим сканирующего зондового микроскопа SPM-ХЕ. STM является предшественником всех сканирующих зондовых микроскопов. Он был изобретен в 1981 Гердом Биннигом (Gerd Binnig) и Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer) в компании IBM Zurich. Пять лет спустя они были удостоены нобелевской премии за свое изобретение по физике. STM явился первым микроскопом, который позволил получать изображения поверхности с очень точным, атомарным разрешением.

Работа сканирующей туннельной микроскопии и АСМ проводимости очень схожи за исключением то, что в STM используется заостренная проводящая игла вместо проводящего кантилевера, как в АСМ проводимости. Напряжение сдвига подается между зондом и образцом. Когда зонд приближается к поверхности на расстояние около 10 Å, электроны от образца начинают «проходить» через промежуток 10 Å в зонд или, наоборот, в зависимости от сдвига напряжения, как показано на рисунке 1. Результирующий туннельный ток меняется в зависимости от дистанции «зонд-образец». Образец и зонд должны быть проводниками или полупроводниками. STM не используется для создания изображений диэлектриков.

Рисунок 1. Схема системы СТМ серии XE

Рисунок 2. Сравнение методов (a) постоянной высоты и (b) постоянного туннельного тока для СТМ

Зависимость туннельного тока от дистанции является экспоненциальной. По квантовой теории механики туннельный ток (I t) вычисляется как:

I t = e -kd

где d - это дистанция между зондом и поверхностью образца.

Если расстояние между зондом и поверхностью образца изменяется на 10% (порядка 1 Å), туннельный ток изменяется на один порядок. Подобная экспоненциальная зависимость обеспечивает микроскопу STM превосходную чувствительность. СТМ способен изобразить поверхность образца с точностью в доли ангстрема в вертикальном направлении и с атомарным разрешением в латеральной плоскости.

В сканирующей туннельной микроскопии могут использоваться разные методы: получение «топографического» (при постоянном токе) изображения и разных напряжений сдвига; получение токовых сканов при разной, но постоянной, высоте сканирования; при линейном сдвиге напряжения и определенном расположении зонда в момент записи туннельного тока. Последний пример представляет собой кривую зависимости тока от напряжения (I-V) электронной структуры в конкретной точке XY поверхности образца. STM можно настроить для получения кривых I-V в каждой точке поверхности, чтобы иметь трехмерное изображение электронной структуры. При наличии в схеме синхронного усилителя можно получить зависимости dI/dV (проводимость) или dI/dz (рабочая функция) от V. Все указанные варианты зондирования электронной структуры поверхности применяют в микроскопе STM.

Схема методик измерений при постоянной высоте и постоянном токе показана на рисунке 2. В режиме постоянной высоты зонд перемещается в горизонтальной плоскости над поверхностью образца и туннельный ток изменяется в зависимости от рельефных и электронных свойств поверхности. Tуннельный ток измеряется в каждой точке поверхности образца, топографическое изображение поверхности представлено на рисунке 2 (a).

В режиме постоянного тока сканирующей туннельной микроскопии применяется обратная связь, которая поддерживает постоянное значение туннельного тока путем регулировки высоты сканера в каждой конкретной точке измерения, как показано на рисунке 2 (b). Например, когда система обнаруживает увеличение туннельного тока, она регулирует его с помощью Z- сканера путем увеличения дистанции между зондом и образцом. В режиме постоянного тока перемещение сканера обеспечивает получение перечня данных. Если система сохраняет туннельный ток постоянным с погрешностью в нескольких процентов, дистанция «зонд-образец» также будет постоянной в пределах нескольких сотен ангстрем. Каждый из двух методов имеет преимущества и недостатки. Режим постоянной высоты работает быстрее, так как система не перемещает сканер вверх-вниз, но он удобен только для изучения достаточно гладких поверхностей. Режим постоянного тока измеряет рельефность с высокой точностью, но требует больше времени.

После первой аппроксимацией сигнал туннельного тока создает топографическое изображение образца. Туннельный ток соответствует электронной плотности поверхности. STM чувствителен к количеству заполненных или незаполненных электронных уровней около уровня Ферми, в пределах энергетического ряда, определенного напряжением сдвига. Это больше, чем просто измерение физической топографии (рельефа), микроскоп измеряет саму возможность постоянного прохождения электронов для данной поверхности.

С пессимистической точки зрения чувствительность STM к местной электронной структуре может стать причиной сложностей, связанных с получением топографии. Например, если область образца покрыта окислами, туннельный ток стремительно падает, если зонд создает отверстие в поверхности.

С оптимистической точки зрения чувствительность СТМ к местной электронной структуре может иметь огромное преимущество. Другие методики для получения информации об электронных свойствах образца собирают данные с большой поверхности образца, от нескольких микрон до нескольких миллиметров. СТМ можно использоваться как инструмент для анализа поверхности, который сканирует электронные свойства поверхности образца с атомарной точностью. На рисунке 3 показана (a) топография и (b) STM изображение высокого порядка (HOPG).

Рисунок 3. (a) Топография и (b) STM изображение HOPG (размер скана 5 нм)

Для режимов XE-STM предлагается два токовых усилителя: «внутренний STM» и «внешний STM». «Внутренний STM» - это режим STM, в котором применяется токовый усилитель фиксированного усиления, размещенный в модуле головки с изменяемой длиной. Во «внутреннем STM» диапазон значений измеренного туннельного тока фиксирован, так как усиление постоянно. Во «внешнем STM» измеренный туннельный ток можно изменять благодаря переменному коэффициенту усиления. «Внешний STM» - это режим STM, в котором применяется внешний малошумный токовый усилитель с переменным усилением (см. «Внешний малошумный токовый усилитель»).

Режим спектроскопии «I/V» обеспечивает получение кривых зависимостей тока (I) от напряжения (V) для изучения электрических свойств поверхности образца. Кривая «I/V» - это график зависимости тока от напряжения зонда относительно образца.

Необходимые опции

Внутренний

• Зонды STM и держатель зонда STM

Внешний

• Зонды STM и держатель зондов STM
• Внешний малошумный токовый усилитель
• Модуль головки и несущий модуль

Схема работы сканирующего туннельного микроскопа:
control voltages of piezotube ;
piezoelectric tube with electrodes - трубка с электродами;
tunneling current amplifier - амперметр для измерения величины туннельного тока ;
distance control and scanning unit - модуль для перемещения иглы и контроля расстояния игла-образец;
tip - игла;
sample - образец, карту рельефа которого требуется построить;
tunneling voltage ;
data processing and display - модуль для обработки результатов измерений и вывода карты рельефа

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM - scanning tunneling microscope ) - вариант сканирующего зондового микроскопа , предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением.

Принцип работы

В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем (0.1 нм ). При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный ток . Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения силы тока - 1-1000 при расстояниях образец-игла около 1 . Сканирующий туннельный микроскоп первый из класса сканирующих зондовых микроскопов ; атомно-силовой и сканирующий ближнепольный оптический микроскопы были разработаны позднее.

В процессе сканирования игла движется вдоль поверхности образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, и показания следящей системы меняются в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот. Другая методика предполагает движение иглы на фиксированной высоте над поверхностью образца. В этом случае фиксируется изменение величины туннельного тока и на основе данной информации идёт построение топографии поверхности .

Устройство

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) включает следующие элементы:

• зонд (иглу),
• систему перемещения зонда относительно образца по двум (X-Y) или трём (X-Y-Z) координатам,
• регистрирующую систему.

Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от величины тока между иглой и образцом, либо перемещения иглы по оси Z. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор . Ограничения на использование метода накладываются, во-первых, условием проводимости образца (поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 Ом /см ² ), во-вторых, условием «глубина канавки должна быть меньше её ширины», потому что в противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей. Но это только основные ограничения. На самом деле их намного больше. Например, технология заточки иглы не может гарантировать одного острия на конце иглы, а это может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков. Кроме ситуации глубокого вакуума , во всех остальных случаях мы имеем на поверхности осаждённые из воздуха частицы, газы и т. д. Технология грубого сближения также оказывает колоссальное влияние на действительность полученных результатов. Если при подводе иглы к образцу мы не смогли избежать удара иглы о поверхность, то считать иглу состоящей из одного атома на кончике пирамиды будет большим преувеличением.

История создания

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) в современном виде изобретен в 1981 году (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями)