СЗМ (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 7

42).47ОСI0Рис. 42 Упрощенная схема организации обратной связи по туннельному токуИзображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя методами. Пометоду постоянного туннельного тока (рис. 43 (а)) зонд перемещается вдольповерхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжения наZ - электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностьюповторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в видефункции Z = f (x,y), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.ZIt = constX(а)ItZ = const(б)XРис. 43.

Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянноготуннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния (б)48Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопииПри исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективнымоказывается получение СТМ изображения поверхности по методу постоянной высотыZ = const. В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстояниинескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качествеСТМ изображения поверхности (рис. 43 (б)). Сканирование производится либо приотключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так чтоОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности.

В данном способереализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота полученияСТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями, происходящимина поверхности, практически в реальном времени.Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальнойзависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение внаправлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное жеразрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, немакроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой.При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находитсялибо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, которыйлокализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия.Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца иатомами зонда. Атом, выступающий над поверхностью зонда, находится ближе кповерхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки.Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток вэтом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомомна кончике зонда.Рис.

44. Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе49С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешениевплоть до атомарного, что продемонстрировано многими исследовательскимигруппами на образцах из различных материалов.Зонды для туннельных микроскоповВ сканирующих туннельных микроскопах используются зонды несколькихтипов. В первое время широкое распространение получили зонды, приготовленные извольфрамовой проволоки методом электрохимического травления.

Данная технологиябыла хорошо известна и использовалась для приготовления эмиттеров для автоионныхмикроскопов. Процесс приготовления СТМ зондов по данной технологии выглядитследующим образом. Заготовка из вольфрамовой проволоки укрепляется так, чтобыодин из ее концов проходил сквозь проводящую диафрагму (Д) и погружался в водныйраствор щелочи КОН (рис. 45). Контакт между диафрагмой и вольфрамовойпроволокой осуществляется посредством капли КОН, расположенной в отверстиидиафрагмы.WДKOHРис.

45. Схема изготовления СТМ зондов из вольфрамовой проволокис помощью электрохимического травления.50Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопииПри пропускании электрического тока между диафрагмой и электродом,расположенным в растворе КОН, происходит перетравливание заготовки. По меретравления толщина перетравливаемой области становится настолько малой, чтопроисходит разрыв заготовки за счет веса нижней части. При этом нижняя частьпадает, что автоматически разрывает электрическую цепь и останавливает процесстравления.Другая широко применяемая методика приготовления СТМ зондов –перерезание тонкой проволоки из PtIr сплава с помощью обыкновенных ножниц.Перерезание производится под углом порядка 45 градусов с одновременнымнатяжением P проволоки на разрыв (рис.

46).PРис. 46. Схематичное изображение процесса формирования СТМ острияпри перерезании проволоки из PtIr сплава.Процесс формирования острия в этом случае отчасти сходен с процессомизготовления острия из вольфрама. При перерезании происходит пластическаядеформация проволоки в месте резки и обрыв ее под действием растягивающегоусилия Р. В результате в месте разреза формируется вытянутое острие с неровным(рваным) краем с многочисленными выступами, один из которых и оказываетсярабочим элементом СТМ зонда. Данная технология изготовления СТМ зондовприменяется сейчас практически во всех лабораториях и почти всегда обеспечиваетгарантированное атомарное разрешение при СТМ исследованиях поверхности.51Рис.

47. СТМ изображение атомарной структуры поверхности пиролитического графитаИзмерение локальной работы выхода в СТМДля неоднородных образцов туннельный ток является не только функциейрасстояния от зонда до образца, но и зависит от значения локальной работы выходаэлектронов в данном месте поверхности. Для получения информации о распределенииработы выхода применяется метод модуляции расстояния зонд-образец ∆Z .

С этойцелью в процессе сканирования к управляющему напряжению на Z-электроде сканерадобавляется переменное напряжение с внешнего генератора на частоте ω. Тогданапряжение на Z-электроде сканера можно представить в видеU = U 0 ( t ) + U m Sin ( ω t ) .Этоприводитктому,чторасстояниезонд-образецоказываетсяпромодулированным на частоте ω:∆Z ( t ) = ∆Z 0 ( t ) + ∆Z m Sin( ω t ) ,где ∆Z m и U m связаны между собой через коэффициент электромеханическойсвязи пьезосканера K:K=∆Z mUm .Частота ω выбирается выше частоты полосы пропускания петли обратной связидля того, чтобы система обратной связи не могла отрабатывать данные колебаниязонда. Амплитуда переменного напряжения U m выбирается достаточно малой, чтобывозмущения туннельного промежутка также были малыми.52Глава 2.

Методы сканирующей зондовой микроскопииОСUm·sin(ωt) ~Рис. 48. Схема регистрации локальной работы выходаВ свою очередь, колебания расстояния зонд-образец приводят к тому, чтопоявляется переменная составляющая тока на частоте ω:It ≅ I0(V ) eα ϕ * ( ∆ Z 0 + ∆ Z m Sin ( ω t ))−,гдеα=22mh.Поскольку амплитуда сигнала модуляции и соответственно амплитудаколебаний туннельного промежутка малы, туннельный ток может быть представлен ввидеIt ≅ Io(V ) e−αϕ ∆Z0(1 − αϕ ∆ Z m Sin ( ω t )) .Таким образом, амплитуда малых колебаний туннельного тока на частоте ωоказывается пропорциональна корню квадратному из величины локальной работывыхода электронов с поверхности образца:12 KU m*[2mϕ ( x , y )] 2Iω = I 0h.Детектируя амплитуду колебаний туннельного тока в каждой точке кадра,можно построить одновременно с рельефом Z = f(x,y) распределение величинылокальной работы выхода φ(x,y) на исследуемом участке поверхности.53Измерение вольт-амперных характеристик туннельного контактаС помощью СТМ можно снимать вольт-амперные характеристики (ВАХ)туннельного контакта в различных точках поверхности, что позволяет судить олокальной проводимости образца и изучать особенности локальной плотностисостояний в энергетическом спектре электронов.

Для регистрации вольт-амперныххарактеристик туннельного контакта в СТМ применяется следующая процедура. НаСТМ изображении поверхности выбирается область образца, в которой предполагаетсяпроизвести измерения. Зонд СТМ выводится сканером в соответствующую точкуповерхности. Для получения ВАХ контакта обратная связь на короткое времяразрывается, и к туннельному промежутку прикладывается линейно нарастающеенапряжение. При этом синхронно с изменением напряжения регистрируется ток,протекающий через туннельный контакт. Во время снятия ВАХ на время разрываобратной связи на электрод сканера подается потенциал, равный потенциалунепосредственно перед разрывом.ОСV=V(t)Рис. 49.

Схема регистрации ВАХ туннельного промежутка СТМВ каждой точке производится снятие нескольких ВАХ. Итоговая вольт-ампернаяхарактеристика получается путем усреднения набора ВАХ, снятых в одной точке.Усреднение позволяет существенно минимизировать влияние шумов туннельногопромежутка.54Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопииСистема управления СТМУпрощенная схема системы управления СТМ представлена на рис. 50.

Системауправления СТМ состоит из цифровой части, реализованной на базе персональногокомпьютера, и аналоговой части, выполняемой обычно в виде отдельного блока.Цифровая часть состоит из набора ЦАП и АЦП и выделена на схеме краснойпунктирной границей. Аналоговая часть показана на схеме синей пунктирной линией.Напряжение на туннельном промежутке задается оператором с помощью ЦАП - U, аподдерживаемый системой обратной связи ток - с помощью ЦАП - I . Двухканальныецифро-аналоговые преобразователи ЦАП - X и ЦАП - У служат для формированиястрочных и кадровых разверток.

Петля обратной связи состоит из предварительногоусилителя ПУ, конструктивно расположенного в измерительной головке СТМ,разностного усилителя РУ, фильтра низких частот ФНЧ, усилителей У4 и У5,пьезопреобразователя, регулирующего величину туннельного промежутка.У1ЦАП - XУ2ЦАП - YЦАП - UЦАП - IАЦППУПФРУЦАП - ДСДФНЧФВКУ3ГСУ4У5Рис.

50. Схема системы управления сканирующего туннельного микроскопа55Перед началом работы оператор устанавливает рабочие параметры туннельноготока и напряжения и включает систему сближения зонда и образца. При этомуправляющее напряжение подается на двигатель с ЦАП – Д. В начальном состоянииток в петле обратной связи отсутствует, и сканер максимально вытянут в направлении кобразцу.