Лабораторная работа № 6

Цели работы: Изучение основ сканирующей туннельной микроскопии. Получение рельефа поверхности исследуемого образца методом постоянного туннельного тока.

Образец: фрагмент DVD-диска с записью, покрытый пленкой золота (образец для СТM из комплекта образцов для НАНОЭДЮКАТОРа).

6.1.Теория

Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа

Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между

металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле.

E ΔZ

A0

At

Z

Рис. 6-1. Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер

В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояние в несколько ангстрем. При этом образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер,

величина которого определяется, в основном, значениями работы выхода электронов из материала зонда P и образца S . При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой, равной средней работе

выхода материалов: * 12( P S ).

Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния позволяет

регулировать расстояние между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. СТМ представляет собой электромеханическую систему с

отрицательной обратной связью (ОС). Система обратной связи поддерживает величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне (I0), выбираемом оператором. Контроль величины туннельного тока, а, следовательно, и

расстояния зонд-поверхность, осуществляется посредством перемещения зонда (либо образца) вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента (Рис. 6-2).

6-3

СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР. Учебное пособие

I0

ОС

Рис. 6-2. Упрощенная схема организации обратной связи по туннельному току.

Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя способами. В режиме постоянного туннельного тока (Рис. 6-3(а)) зонд перемещается вдоль

поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжения на Z-электроде пьезосканера в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в

виде функции Z = f (x,y), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

X

(б)

Рис. 6-3. Формирование СТМ изображений поверхности в режиме постоянного туннельного тока (а) и постоянной высоты (б).

6-4

Лабораторная работа № 6

При исследовании атомарно-гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ-изображения поверхности в режиме постоянной высоты Z = const. В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии

нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ-изображения поверхности (Рис. 6-3(б)). Сканирование производится

либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая

частота получения СТМ-изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени.

Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же

разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой.

При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует ток на размерах, много меньших, чем характерный радиус

кривизны острия. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающий над поверхностью зонда,

находится ближе остальных к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью

образца и выступающим атомом на кончике зонда.

Рис. 6-4. Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе.

В качестве зонда в СТМ используется остро заточенная металлическая игла. С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до

атомного, что продемонстрировано многими исследовательскими группами на образцах из различных материалов.

6-5

СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР. Учебное пособие

Факторы, влияющие на качество изображения в СТМ

Сканирующий туннельный микроскоп дает изображение поверхности, увеличенное во всех трех измерениях: x, y и z. Максимальная разрешающая

способность для каждой из осей определяется различными факторами.

Разрешение по оси Z ограничивается, во-первых, чувствительностью датчика, и,

во-вторых, амплитудой шумовых вибраций зонда относительно поверхности образца. Конструкция микроскопа должна обеспечивать уменьшение амплитуды этих вибрации до долей ангстрема.

Разрешение СТМ по нормали к поверхности образца для атомно–чистых поверхностей достигает в благоприятных случаях сотых долей ангстрема. Благодаря

крутой зависимости I(Z) электронные шумы аппаратуры, дробовой шум туннельного тока и т.п. слабо влияют на результаты. Однако для «грязных» поверхностей шум по координате Z резко возрастает, доходя до долей микрометра.

Максимальное разрешение в плоскости XY определяется, прежде всего, точностью позиционирования зонда. Важное значение имеет геометрия острия

зонда. При сканировании предельно плоских (атомно-плоских) поверхностей разрешение лимитируется диаметром атома на самом конце иглы (так называемый эффект последнего атома, Рис. 6-1). Таким образом, для оценки предельного

разрешения можно принять, что туннелирование (до 90 % тока) происходит с единственного атома. Макроскопическая геометрия зонда не является

определяющей для атомного разрешения.

Зонд

V

Поверхность образца

Рис. 6-1. Схематическое изображение взаимодействия кончика иглы с образцом

6-6