СЗМ (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 8

При появлении туннельного тока обратная связь отодвигает сканер, и системапереходит в режим точной установки образца. В этом режиме происходит совместноедвижение образца и отодвигание (системой ОС) зонда до тех пор, пока сканер невстанет в середину своего динамического диапазона. При этом в петле обратной связиподдерживается постоянным выбранное оператором значение туннельного тока.Сканирование образца осуществляется при подаче напряжений пилообразнойформы на внешние электроды трубчатого сканера с помощью двухканальных ЦАП – Хи ЦАП – У и двухканальных высоковольтных усилителей У1 и У2. При сканированиисистема обратной связи поддерживает постоянным туннельный ток. Это происходитследующим образом.

Реальное мгновенное значение туннельного тока It сравниваетсяна разностном усилителе со значением I0, заданным оператором. Разностный сигнал(It – I0) усиливается (усилителями У4 и У5) и подается на внутренний Z-электродсканера. Таким образом, при сканировании напряжение на Z-электроде сканераоказывается пропорциональным рельефу поверхности. Сигнал с выхода усилителя У4записывается с помощью АЦП как информация о рельефе поверхности.Для получения информации о распределении локальной работы выхода сигнал сгенератора Г подмешивается на усилителе У5 к напряжению на Z-электроде.Соответствующая компонента туннельного тока на частоте ω выделяется полосовымфильтром ПФ и детектируется с помощью синхронного детектора СД, на которыйтакже подается опорное напряжение с задающего генератора. Фаза сигналовсинхронизируется с помощью фазовращателя ФВ.

Амплитуда тока на частоте ωзаписывается в память компьютера с помощью АЦП как сигнал, пропорциональныйлокальной работе выхода.Регистрация ВАХ туннельного контакта в заданной точке образцаосуществляется следующим образом. Обратная связь разрывается на короткое времяэлектронным ключом К. Напряжение на внутреннем электроде пьезотрубкиподдерживается постоянным с помощью конденсатора С, так что зонд на короткоевремя зависает над поверхностью. После этого с ЦАП - U на туннельный промежутокподается напряжение U(t) пилообразной формы, и синхронно с ним в АЦПзаписывается информация о туннельном токе с выхода предварительногоусилителя ПУ.

После этого ключ К замыкается, и система обратной связивосстанавливает состояние туннельного контакта, соответствующее условию It = const.При необходимости процедура снятия ВАХ повторяется N раз для формированияусредненных зависимостей туннельного тока от напряжения.56Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопииКонструкции сканирующих туннельных микроскоповВ настоящее время в литературе описаны сотни различных конструкцийсканирующих зондовых микроскопов. С одной стороны, такое количестворазработанных СЗМ обусловлено практической необходимостью, поскольку длярешения конкретных задач часто требуется определенная конфигурация СЗМ. С другойстороны, относительная простота механической части СЗМ стимулирует изготовлениеизмерительных головок, максимально адаптированных к условиям конкретногоэксперимента непосредственно в научных лабораториях.Для эффективной работы конструкция измерительной головки СТМ должнаудовлетворять целому ряду требований.

Наиболее важными из них является требованиевысокой помехозащищенности. Это обусловлено большой чувствительностьютуннельного промежутка к внешним вибрациям, перепадам температуры,электрическим и акустическим помехам. В настоящее время в этом направлениинакоплен большой опыт, разработаны достаточно эффективные способы защиты СТМот воздействия различных внешних факторов. В конечном итоге, выбор той или инойсистемывиброизоляцииитермокомпенсациидиктуется,восновном,целесообразностью и удобством использования. Другая, не менее важная группатребований к дизайну СТМ, связана с условиями применения разрабатываемогомикроскопа и определяется задачами конкретного эксперимента.В качестве примера, на рис. 51. схематически показана конструкцияизмерительной головки СТМ с компенсацией термодрейфа положения зонда.125634Рис. 51. Конструкция измерительной головки СТМ.1 – основание; 2 – трубчатый трехкоординатный пьезосканер; 3 – термокомпенсирующаяпьезотрубка, служащая рабочим элементом шагового пьезодвигателя; 4 – металлический зонд;5 – образец; 6 – цилиндрический держатель образца57Основу конструкции составляют две коаксиальные пьезокерамические трубкиразличного диаметра, закрепленные на общем основании (1).

Внутренняя трубка (2)выполняет роль трехкоординатного пьезосканера. Внешняя трубка (3) являетсямногофункциональной частью конструкции. Во-первых, внешняя трубка выполняетроль компенсатора термодеформаций внутренней трубки, стабилизируя положениезонда в направлении нормали к исследуемой поверхности. Во-вторых, она являетсярабочим элементом шагового пьезодвигателя, служащего для подвода образца к зонду.Вся конструкция СТМ обладает аксиальной симметрией, что уменьшает термодрейфположения зонда в плоскости поверхности исследуемого образца.Туннельная спектроскопияСканирующий туннельный микроскоп позволяет получать вольт-амперныехарактеристики (ВАХ) туннельного контакта зонд-поверхность в любой точкеповерхности и исследовать локальные электрические свойства образца.

Дляхарактерных напряжений на туннельном контакте порядка 0.1 – 1 В и туннельныхтоков на уровне 0.1 – 1 нА сопротивление туннельного контакта Rt по порядку величинсоставляет 108÷1010 Ом. Как правило, сопротивление исследуемых в СТМ образцов RSсущественно меньше Rt, и характер ВАХ определяется, в основном, свойстваминебольшой области образца вблизи туннельного контакта.RSRtRS << RtРис. 52. Эквивалентная схема туннельного контакта по постоянному токуХарактер туннельной ВАХ существенно зависит от энергетического спектраэлектронов в образце.

На рис. 53 приведена энергетическая диаграмма туннельногоконтакта двух металлов.eVEF1EF2Рис. 53. Энергетическая диаграмма туннельного контакта двух металлов58Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопииВ туннельном токе участвуют, в основном, электроны с энергиями вблизиуровня Ферми. При прямом смещении (рис.

53) электроны туннелируют иззаполненных состояний зоны проводимости зонда на свободные состояния зоныпроводимости образца. При обратном смещении электроны туннелируют из образца взонд. Величина туннельного тока определяется напряжением смещения,коэффициентом прозрачности барьера и плотностью состояний вблизи уровня Ферми.Выражение для туннельного тока в случае дискретного электронного спектра былополучено в работах [23-25].

В приближении квазинепрерывного спектра электроноввыражение для туннельного тока может быть представлено в следующем виде [22,26]:dI = A ⋅ D( E )ρ P ( E ) f P ( E )ρ S ( E )( 1 − f S ( E ))dE ,где A – некоторая постоянная; D( E ) - прозрачность барьера;ρP( E ), ρS ( E )- плотность состояний в материале зонда и исследуемого образца соответственно;f ( E ) - функция распределения Ферми. В простейшем случае прямоугольного барьерапри низких температурах и в предположении, что плотность состояний вблизи уровняФерми в металле зонда практически постоянна, выражение для тока можно записать ввидеeVI ( V ) = B ∫ ρ S ( E )dE0.В этом случае зависимость туннельного тока от напряжения определяется, восновном, плотностью состояний в энергетическом спектре образца.

На практикевеличинуρ S ( E ) оценивают по величине производной туннельного тока понапряжению:ρ S ( eV ) ~ ∂I .∂VИсследования локальных туннельных спектров различных материалов проводят,как правило, в условиях высокого вакуума (поскольку туннельный ток оченьчувствителен к состоянию поверхности исследуемых образцов) и при низкихтемпературах (так как тепловые возбуждения сильно размывают особенности вэлектронных спектрах).ВАХ контакта металл-металлТуннелирование электронов через барьер между двумя металламирассматривалось во многих работах задолго до появления СТМ [27,28]. Как былопоказано выше, для малых напряжений смещения зависимость туннельного тока отнапряжения линейная, и проводимость туннельного контакта определяется, восновном, параметрами барьера:594πjt = j0 ( V ) e h−2mϕ * ∆Z.При очень высоких напряжениях форма барьера будет сильно изменяться, и токбудет описываться формулой Фаулера-Нордгейма.

Типичная ВАХ, наблюдаемая длятуннельного контакта металл-металл, изображена схематически на рис. 54.IVРис. 54. Характерный вид ВАХ туннельного контакта металл-металлКак видно из рисунка, вольт-амперная характеристика туннельного контактаметалл-металл нелинейна и, как правило, практически симметрична.ВАХ контакта металл-полупроводникПолупроводниковые образцы имеют более сложную структуру энергетическогоспектра электронов.IEgEFPEFSРис. 55. Энергетическая диаграмма и характерный вид вольт-ампернойхарактеристики туннельного контакта металл-полупроводникV60Глава 2.

Методы сканирующей зондовой микроскопииНаличие запрещенной зоны и примесных уровней в спектре полупроводниковыхматериалов делает ВАХ туннельного контакта металл-полупроводник сильнонелинейной. Существенный вклад в туннельный ток дают также поверхностныесостояния и уровни энергии, связанные с адсорбированными на поверхностичужеродными атомами.

Поэтому исследования локальных туннельных спектровполупроводниковых материалов проводят в условиях высокого вакуума.Неконтролируемое присутствие на поверхности адсорбированных атомов сильноусложняет интерпретацию получаемых в эксперименте туннельных спектров. Крометого, тепловые возбуждения приводят к значительному уширению дискретных уровнейэнергии, соответствующих локализованным состояниям, а также сильно размываютположение краев зоны проводимости и валентной зоны. В качестве примера на рис. 56.приведен туннельный спектр образца GaAs, полученный в работе [29].(dI/dV)/(I/V)EV6EC420V-2-1012Рис. 56.