Лекции: Лекции (Ляхова)

Небольшая вырезка из одного и файлов:

Сканирующий туннельный микроскоп

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) изобретен Г. Бинингом и Т. Рорером в швейцарском отделении IBM. Рабочая камера СТМ должна быть защищена от посторонних воздействий хорошей экранировкой и высоким вакуумом.
Функционирование сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) состоит в регистрации изменение туннельного тока между иглой (зондом) и подложкой. Зонд укреплен на консоли (cantilever). Благодаря обратной связи в СТМ зонд (tip) перемещается вверх – вниз, повторяя рельеф поверхности (surface) в случае поддержания с помощью автоматики постоянного туннельного тока. Фиксируется перемещение зонда. Информационный сигнал I или h после компьютерной обработки выводится на дисплей. При поддержании постоянного уровня иглы информационным параметром зазора между зондом и подложкой является величина туннельного тока.

СТМ может использоваться не только для исследования, но и в ряде технологических операций, которые проходят в малом пространстве между зондом и подложкой. Такой микроскоп часто называют силовым. Зонд изготавливается из монолитного вольфрама. Диаметр острия не более 10 нм. В перспективе зонд для увеличения разрешающей способности может быть использована углеродная нанотрубка (УНТ).
Локально в области зонда происходит туннелирование электронов с энергией не менее 0,25 эВ при ширине потока 0,1 - 0,2 нм. Туннельный ток вызывается градиентом полей:
- электрического,
- магнитного,
- электромагнитного СВЧ и оптического диапазона. Имеются и другие механизмы стимулирование межмолекулярного взаимодействия
- тепловой (пикосекундной длительности),
- механический (в частности ультразвуковой – здесь действует чередование низкого и высокого давления).
Распределение полей должно быть неоднородным. Острый угол зонда способствует концентрации заряда на острие. Зонд размещается в пучности поля. Это ограничивает зону влияния пятном непосредственно под зондом. Чем больше неоднородность, тем выше разрешающая способность. Это достигается сочетанием полей, например, электрического и магнитного, электрического и теплового. Задача полевого влияния - не только воздействовать на заряженные частицы, но также ионизировать или формировать диполи из нейтральных молекул. Это дает возможность манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Энергия полей варьируется от долей до десятков эВ в зависимости от требуемой функции. Энергия долей эВ инфракрасного поля способна вызвать тепловую миграцию и может быть использована для планарной сборки. Но стабильность такой сборки невелика ввиду малой энергии.
Энергия оптического излучения в несколько десятков эВ способна:
- разрывать и синтезировать молекулы, в том числе органические,
- локально производить химическое осаждение из газовой фазы (аналогично операции «на след луча»),
- активизировать адсорбцию или десорбцию атомов и молекул с вершины зонда,
- создавать локальные электрические заряды в сегнетоэлектриках и электретах,
- проводить локальные химические процессы окисления и восстановления в присутствии соответствующих реагентов в рабочей камере,
- экспонировать электронночувствительные резисты.
Сборочные операции становятся 3-х мерными (активизируются нижележащие слои) и характеризуются большей стабильностью.
В диапазоне энергий от нескольких десятков до сотен эВ ионизируются молекулы любого вещества. Появляется возможность локального испарения, травления. 3-х мерная сборка проводиться для высокотемпературных материалов.
Существует много вариантов сканирующих микроскопов (СМ). Один из вариантов построения СМ представлен на рис.. Образец перемещается на координатном столе с вакуумным прижимом (Vacuum Chuck). Прецизионная часть перемещения осуществляется с помощью пьезоэлементов (Piezoelectric), обеспечивающих разрешающую способность не менее 0.01 нм. Регистрация вертикального перемещения осуществляется лазерным интерференционным методом. Луч лазера (Laser) отражается от внешней поверхности держателя зонда (Conducting Tip) и поступает в фотодетектор (Photodetector). При изменении положения зонда изменяется длина пути луча и, следовательно, фаза принятого сигнала. По изменению фазы судят о величине вертикального перемещения зонда. При формировании управляющего сигнала учитывается, в какой зоне фотодетектора принят отраженной луч лазера.