СТМ (Лекции (Ляхова))

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.

Рис. Блок-схема пьезоэлектрического силового микроскопа (Piezo-response Force Microscopy).

Возможна печать с помощью «наночернил» (nanoink), стекающих в водной среде (Water) с зонда СТМ (Ink-coated Pen) на подложку (Substrate).

Рис. Печать с помощью «чернил» NanoInk.

Рис. Формирование золотого нанопровода с помощью СТМ.

Рис. Матрица консолей с зондами СТМ.

Зонд силового СТM можно выполнить в форме «плуга» (plow), который изготавливается из кремния с помощью литографии и анизотропного травления. Силовой СТМ способен испарять материал вблизи зонда. Как и в современном сельском хозяйстве, удобно использовать сразу несколько лемехов. Характерный размер острия составляет 30 нм, что и определяет ширину борозд. Процарапанные борозды на тонкой пленке резиста, нанесенного на поверхность кремния, были “дотравлены” с помощью реактивного ионного травления. В результате удалось сформировать структуру нитей кобальта толщиной 50нм.

Рис. Схема «плужной» технологии.