СЗМ (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 9

СТМ спектр поверхности кристалла n-GaAsТуннельные спектры позволяют определить положения краев зоныпроводимости и валентной зоны относительно уровня Ферми, а такжеидентифицировать спектральные пики, связанные с примесными состояниями внутризапрещенной зоны полупроводников.ВАХ контакта металл-сверхпроводникВ сверхпроводящих материалах при температурах ниже критическойпроисходит фазовый переход, сопровождающийся перестройкой энергетическогоспектра электронов.

При низких температурах электроны образуют так называемыеКуперовские пары и конденсируются на уровне, отстоящем на величину ∆ от зоны61проводимости. Энергетическаяприведена на рис. 57 [30].диаграммаконтактаметалл –EFPсверхпроводникEFS∆Рис. 57. Энергетическая диаграмма контакта металл – сверхпроводникПри прямом смещении туннельный ток через контакт возникает только принапряжениях eV > ∆.

Для простоты считаем барьер тонким, так что на нем непроисходит падения потенциала. В этом случае электроны из зонда туннелируют насвободные состояния сверхпроводящего образца (рис. 58 (а)).∆EFPEFPEFSEFS(б)(а)Рис. 58. Энергетическая диаграмма контакта металл – сверхпроводникпри прямом и обратном смещенииПри обратном смещении картина туннелирования немного сложнее. Посколькупри туннелировании энергия системы сохраняется, то процесс туннелирования в этомслучае происходит следующим образом. Куперовская пара расщепляется; при этомодин электрон уходит с потерей энергии на свободное состояние вблизи уровня Фермиметалла, а второй, приобретая энергию ∆, переходит на возбужденное состояние вспектре сверхпроводника.

Таким образом, вольт-амперная характеристика туннельногоконтакта металл-сверхпроводник при температуре Т = 0 содержит две ветви приeV > ∆(рис.59(а)).Соответствующаясверхпроводника приведена на рис. 59 (б).плотностьсостоянийвспектре62Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопии∂I∂VIVV∆/e∆/e(б)(а)Рис.

59. Вольт-амперная характеристика контакта металл-сверхпроводнтк (а)и плотность состояний сверхпроводника (б) при Т = 0 (показаны синим цветом).(Красным цветом показана ВАХ и плотность состояний при Т ≠ 0)При температурах, отличных от нуля, энергетический спектр сверхпроводникачастично размывается, так что в реальных вольт-амперных характеристикахспектральные особенности сверхпроводников выражены менее четко.Одним из приложений сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопииявляется исследование неоднородности электрических свойств образцов сложногосостава. В этом случае совместный анализ морфологии поверхности и вольт-амперныххарактеристик, снятых в различных точках поверхности, позволяет судить ораспределении различных фаз на поверхности композитных структур, исследоватькорреляции между технологическими параметрами их получения и электроннымисвойствами.

В частности, снимая ВАХ в различных точках поверхности, можноисследовать распределение сверхпроводящей фазы в образцах неоднородного состава.С этой целью при сканировании одновременно с регистрацией рельефа поверхности вкаждой точке производится снятие ВАХ. По локальной ВАХ рассчитывается значениепараметра ∆, которое заносится в отдельный файл. В дальнейшем строитсяраспределение ∆ = f(x,y),состояния образца.котороехарактеризуетструктурусверхпроводящего2.2. Атомно-силовая микроскопияАтомно-силовой микроскоп (АСМ) был изобретён в 1986 году ГердомБиннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофером Гербером [31].

В основе работы АСМлежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрациикоторого используются специальные зондовые датчики, представляющие собойупругую консоль с острым зондом на конце (рис. 60). Сила, действующая на зонд состороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба,можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью.63ОснованиеКонсольЗондРис. 60.

Схематическое изображение зондового датчика АСМКачественно работу АСМ можно пояснить на примере сил Ван-дер-Ваальса [32].Наиболее часто энергию ван-дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихсяна расстоянии r друг от друга, аппроксимируют степенной функцией - потенциаломЛеннарда-Джонса:⎧ ⎛ r0 ⎞ 6 ⎛ r0 ⎞ 12 ⎫U LD ( r ) = U 0 ⎨ − 2 ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ ⎬⎝ r ⎠ ⎭.⎩ ⎝r ⎠Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующеепритяжение, обусловленное, в основном, диполь - дипольным взаимодействием атомов.Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях.

Параметрro – равновесное расстояние между атомами, U 0 - значение энергии в минимуме.ULDrorU0Рис. 61. Качественный вид потенциала Леннарда – ДжонсаПотенциал Леннарда-Джонса позволяет оценить силу взаимодействия зонда собразцом [33]. Общую энергию системы можно получить, суммируя элементарныевзаимодействия для каждого из атомов зонда и образца.64Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопииr'r- r'rРис. 62. К расчету энергии взаимодействия зонда и образцаТогда для энергии взаимодействия получаем:WPS =∫∫ ULD( r − r' ) nP ( r' ) nS ( r )dVdV 'VPVS,где nS ( r ) и n P ( r' ) - плотности атомов в материале образца и зонда.Соответственно сила, действующая на зонд со стороны поверхности, может бытьвычислена следующим образом:rFPS = − grad ( WPS ) .В общем случае данная сила имеет как нормальную к поверхности, так илатеральную (лежащую в плоскости поверхности образца) составляющие.

Реальноевзаимодействие зонда с образцом имеет более сложный характер, однако основныечерты данного взаимодействия сохраняются - зонд АСМ испытывает притяжение состороны образца на больших расстояниях и отталкивание на малых.Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрациеймалых изгибов упругой консоли зондового датчика.

В атомно-силовой микроскопиидля этой цели широко используются оптические методы (рис. 63).ЛазерФотодиодФотодиод(1)(2)(3)(4)Рис. 63. Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового датчика АСМ65Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучениеполупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, аотраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. Вкачествепозиционно - чувствительныхфотоприемниковприменяютсячетырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.(1)(1)(2)(2)(3)(3)(4)(4)FZFL(а)(б)Рис.

64. Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчикаи изменением положения пятна засветки на фотодиодеОсновные регистрируемые оптической системой параметры - это деформацииизгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (FZ) идеформации кручения консоли под действием латеральных компонент сил (FL)взаимодействия зонда с поверхностью. Если обозначить исходные значения фототока всекциях фотодиода через I01, I02, I03, I04, а через I1, I2, I3, I4 - значения токов послеизменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода∆Ii = Ii - I0i будут однозначно характеризовать величину и направление изгибаконсоли зондового датчика АСМ.

Действительно, разность токов вида∆ I z = ( ∆ I1 + ∆ I 2 ) − ( ∆ I3 + ∆ I 4 )пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей понормали к поверхности образца (рис. 64 (а)).66Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопииА комбинация разностных токов вида∆ I L = ( ∆ I1 + ∆ I4 ) − ( ∆ I2 + ∆ I3 )характеризует изгиб консоли под действием латеральных сил (рис.

64 (б)).Величина ∆ I Z используется в качестве входного параметра в петле обратнойсвязи атомно-силового микроскопа (рис. 65). Система обратной связи (ОС)обеспечивает∆ I Z = constспомощьюпьезоэлектрическогоэлемента, который поддерживает изгиб консоли ∆Zисполнительногоравным величине ∆ Z 0 ,задаваемой оператором.ЛазерФотодиод∆Iz∆ZОСZИЭРис. 65. Упрощенная схема организации обратной связи в атомно-силовом микроскопеПри сканировании образца в режиме ∆ Z = const зонд перемещается вдольповерхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в памятькомпьютера в качестве рельефа поверхности Z = f (x,y). Пространственное разрешениеАСМ определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы,регистрирующей отклонения консоли.

В настоящее время реализованы конструкцииАСМ, позволяющие получать атомарное разрешение при исследовании поверхностиобразцов.67Зондовые датчики атомно-силовых микроскоповЗондирование поверхности в атомно-силовом микроскопе производится спомощью специальных зондовых датчиков, представляющих собой упругую консоль –кантилевер (cantilever) с острым зондом на конце (рис. 66). Датчики изготавливаютсяметодами фотолитографии и травления из кремниевых пластин. Упругие консолиформируются, в основном, из тонких слоев легированного кремния, SiO2 или Si3N4.Si∆ZРис. 66. Схематичное изображение зондового датчика АСМОдин конец кантилевера жестко закреплен на кремниевом основании держателе.

На другом конце консоли располагается собственно зонд в виде остройиглы. Радиус закругления современных АСМ зондов составляет 1 ÷ 50 нм взависимости от типа зондов и технологии их изготовления. Угол при вершинезонда - 10 ÷ 20 º. Силу взаимодействия зонда с поверхностью F можно оценитьследующим образом:F = k ⋅ ∆Z ,где k – жесткость кантилевера; ∆Z – величина, характеризующая его изгиб.Коэффициенты жесткости кантилеверов k варьируются в диапазоне 10-3 ÷ 10 Н/мв зависимости от используемых при их изготовлении материалов и геометрическихразмеров. При работе зондовых АСМ датчиков в колебательных режимах важнырезонансные свойства кантилеверов.Собственные частоты изгибных колебаний консоли прямоугольного сеченияопределяются следующей формулой (см., например, [34]):ω ri =λil2EJ,ρS(3)где l – длина консоли; Е – модуль Юнга; J – момент инерции сечения консоли; ρ- плотность материала; S - площадь поперечного сечения;λi - численныйкоэффициент (в диапазоне 1÷100), зависящий от моды изгибных колебаний.68Глава 2.

Методы сканирующей зондовой микроскопииλ1 = 3,52λ2 = 22,04λ3 = 61,7Рис. 67. Основные моды изгибных колебаний консолиКак видно из выражения (3), резонансная частота кантилевера определяется егогеометрическими размерами и свойствами материала. Частоты основных мод лежат вдиапазоне 10÷1000 кГц. Добротность кантилеверов, в основном, зависит от той среды,в которой они работают.Типичные значения добротности при работе в вакууме составляют 103 – 104.На воздухе добротность снижается до 300 – 500, а в жидкости падает до 10 – 100.В атомно-силовой микроскопии применяются, в основном, зондовые датчикидвух типов – с кантилевером в виде балки прямоугольного сечения и с треугольнымкантилевером, образованным двумя балками.