Устройство и принцип работы сканирующего туннельного микроскопа

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) был создан в 1982 г сотрудниками исследовательского отдела фирмы IBM Г. Биннигом и Х. Рёрером. Он открыл очень многообещающие возможности научных и прикладных исследований в области нанотехники и явился первым техническим устройством, с помощью которого была осуществлена наглядная визуализация атомов и молекул. За создание СТМ Г. Бинниг и Х. Рёрер в 1986 году были удостоены Нобелевской премии по физике.

Принцип работы СТМ заключается в следующем: к поверхности проводящего образца на характерное межатомное расстояние , составляющее доли нанометра, подводится очень тонкое металлическое острие (игла). При приложении между образцом и иглой разности потенциалов ~ 0,11В в цепи (рис.4.13) появляется ток, обусловленный туннелированием электронов через зазор между ними.

Рис. 4.2

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

Поскольку вероятность туннелирования через потенциальный барьер экспоненциально зависит от ширины барьера, то туннельный ток при увеличении зазора между иглой и поверхностью образца Z убывает по экспоненте и уменьшается примерно на порядок при увеличении Z на каждые 0,1 нм. Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния обеспечивает чрезвычайно высокую разрешающую способность СТМ. Вдоль оси Z, перпендикулярной к поверхности образца, разрешающая способность СТМ составляет ~ нм, а вдоль осей X,Y, параллельных поверхности образца, ~ нм. Перемещая иглу СТМ вдоль поверхности образца, т.е. осуществляя сканирование поверхности, можно получать информацию о рельефе поверхности с атомным пространственным разрешением.

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. 4.3а). Туннельный ток при этом изменяется и по этим изменениям легко может быть определен рельеф поверхности образца.

Рис. 4.3

При работе в режиме постоянного тока (рис. 4.3б) 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.

Общая схема СТМ приведена на рис. 4.4.

Рис. 4.4

С помощью системы грубого подвода и позиционирования игла СТМ подводится к исследуемой поверхности на расстояние ~ 0,1 мкм. Дальнейшее перемещение иглы и исследование поверхности проводится с помощью специального сканирующего устройства. Это устройство изготовлено из пьезоэлектрика, т.е. вещества, способного изменять свои линейные размеры при приложении к нему электрического поля, и позволяет перемещать иглу СТМ над поверхностью образца с очень высокой точностью.

Одним из наиболее важных узлов СТМ является игла (острие), в качестве которой используется тонкая проволока из вольфрама, ванадия или другого проводящего материала. Для улучшения характеристик кончика острия его подвергают электрохимическому травлению. Эксперименты показывают, что травление острия с радиусом кончика мкм практически обеспечивает разрешение на атомном уровне.

Управление движением сканирующего устройства и контроль за работой системы обратной связи осуществляется компьютером. С его помощью проводится запись результатов измерения, их обработка и визуализация исследуемой поверхности. Типичные результаты исследований, выполненные с помощью СТМ, приведены на рис. 4.16, на котором представлены изображения молекул , адсорбированных на поверхности кристалла меди. Размеры по осям приведены в ангстремах (м).

Ртс. 4.5

Важно отметить, что СТМ, в отличие от других электронных микроскопов, не содержит линз и, следовательно, получаемое в нем изображение не искажается из-за аберраций. Кроме того, энергия электронов, формирующих изображение в СТМ, не превышает нескольких электронвольт, т.е. оказывается меньше характерной энергии химической связи, что обеспечивает возможность неразрушающего контроля исследуемого образца. Напомним, что в электронной микроскопии высокого разрешения энергия электронов достигает сотен килоэлектронвольт, что приводит к образованию радиационных дефектов.

В настоящее время перспективны следующие области применения СТМ:

· физика и химия поверхности на атомном уровне;

· нанометрия - исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности, процессов зародышеобразования при росте пленок, процессов химического или ионного травления, осаждения и т.д.;

· нанотехнология - исследование и изготовление приборных структур нанометрового размера;

· исследование макромолекул, вирусов и других биологических структур.

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

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

Следует отметить, что возможности СТМ выходят далеко за рамки чисто микроскопических задач. С его помощью, например, можно заставить атомы перемещаться вдоль поверхности и собирать из них искусственные структуры нанометровых размеров.

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

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

Такие возможности СТМ делают его перспективным инструментом при разработке и создании нанотехники будущего поколения, например, квантового компьютера. Сканирующий туннельный микроскоп явился прототипом целого семейства более совершенных сканирующих микроскопов.

На базе СТМ был создан сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ), который позволяет исследовать непроводящие вещества, микроскоп на магнитных силах, дающий возможность изучать магнитные свойства поверхности.

Все сказанное выше о СТМ позволяет сделать следующее заключение: "Принцип действия СТМ настолько прост, а потенциальные возможности так велики, что невозможно предсказать его воздействие на науку и технику даже ближайшего будущего".

Физические особенности перехода от микро- к наноустройствам

Устройство и принцип работы электростатических и магнитных линз

Классификации рецепторов

Принципы построения многоэлементных осцилляторных измерительных устройств, основанных на использовании нелинейных процессов в сложных динамических системах

Вернуться в оглавление: Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении