Окрепилов В. - Стандартизация и метрология в нанотехнологиях (1027504), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Сканирующая гнуннельная мнкроскання — метод микроскопии, позволяющий изучать электропроводящие поверхности в соот- 1!б 117 ветствии с атомной шкалой. СТМ дает картину атомной схемы поверхности путем выявления неровностей в плотности электронов, которые обусловлены положением атомов, Сканируюгдий туннельный микроскоп (СТМ) исторически является предшественником всех сканирующих зондовых микроскопов. СТМ был первым устройством, давшим Реальные изображения поверхностей с атомным разрешением [124, 132, 133). В качестве зонда в СТМ используется острая проводящая игла. Между осзрием иглы и образцом прикладывается рабочее напряжение, и при подводе острия к образцу примерно до 0,5 — 1,0 нм электроны с образца начинают «туннелироватьл через зазор к острию или наоборот, в зависимости от полярности рабочего напряжения (рис. 43) [124, 133].
На основании данных о токе туннелирования в СТМ проводится визуализация топографии. Чтобы происходило туннелирование, как образец, так и острие должны быть проводниками или полупроводниками. Изображений непроводящих материалов СТМ дать не может. Останавливаясь на физических принципах, положенных в основу работы СТМ, отметим, что процесс туннелирования электронов происходит при перекрытии волновых функций атомов острия сканирующей иглы и поверхности. Туннельный ток между двумя металлическими телами описывается уравнением 1 = = !0 ехр[ — С(4ц)ог).
При типичной высоте потенциального барьера еР = 4 эВ туннельный ток снижается на порядок; если зазор г уменьшается на 0,1 нм. Эти свойства и являются причиной того, что острие туннельного микроскопа обычно должно находиться так близко к образцу — на расстоянии 0,5 — 1 нм. Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния придает СТМ очень Ьрриллц высокую чувствительность. Основное применение СТМ это измерения топографии. Именно благодаря своей чрезвычайно высокой чувствительности СТМ спо- а) собен формировать изображения поверхностей с субангстремной точностью по вертикали и атомным латеральным (т.
е. в горизонтальном направлении) разрешением. Существуют два варианта конструкции СТМ в зависимости от режима сканирования образцов (рис. 44). В режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирования изменяется (рис. 44,а). Исходя изданных о величинах Рас.
44. Схема работы СТМ тока туннелирования, промеренных в каждой точке сканирования повер-, „„, б р, „„ хности образца, строится образ тооостояяяого тока пографии [! 33). В режиме постоянного тока СТМ задействУетсЯ система обРатной связи для поддержания постоянного тока туннелирования путем подстройки высоты сканирующегс' устройства над поверхностью в каждой точке (рис. 44,б). НапримеР, когда система детектирует увеличение туннельного тока, то она подстраивает напряжение, прикладываемое к пьезоэлектрическому сканирующему усзройству, так, чтобы отвести острие дальше от образца.
В режиме постоянного тока визуализация топографии осуществляется на основании данных о величине вертикальных переиещений сканирующего устройства. Если система поддерживает ток туннелирования постоянным в пределах нескольких процентов, то расстояние между острием и образцом будет постоянным с погрешностью в несколько сотых ангстрема [132, 133). У каждого режима есть преимущества и недостатки. Режим постоянной высоты более быстрый, та1с как сис геме не приходится передвигать сканирующее устройство вверх и вниз, но при этом можно получить полезную информаг)ию только с относительно гладких поверхностей.
В режиме посз'оянного тока можно с вы- Игла х Пнь астрея ити 118 119 сокой точностью измерять нерегулярные поверхности, но измерения занимают больше времени. Скаяируюи(яя туннельная сяектросквяяя (СТС) является наряду с измерениями топографии другой важной областью приложения СТМ. В первом приближении образ, составленный из значений тока туннелирования, отражает топографию поверхности образца. Если же говорить более точно, туннельный ток соответствует электронной плотности состояний поверхности. В действительности СТМ регистрирует количество заполненных или незаполненных электронных состояний вблизи поверхности Ферми в диапазоне значений энергии, определяемом прикладываемым рабочим напряжением. Можно сказать, что СТМ измеряет скорее не физическую топографию, а поверхность постоянной вероятности туннелирования [62, 133[.
Чувствительность СТМ к местной электронной структуре может вызвать затруднения, если необходимо картографировать топографию (т. е. получить изображение топографии). Например, если какой-то участок образца окислен, то, когда острие сканирующей иглы попадет на него, туннельный ток резко уменьшится. СТМ, работающий в режиме постоянного тока, даст команду острию приблизиться к поверхности„чтобы поддержать установленную величину тока туннелирования. В результате острие может углубиться в поверхность. В то же время, чувствительность СТМ к электронной структуре может быть огромным преимуществом. Более традиционные спектроскопические методы, такие как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия или инверсная фото- эмиссионная спектроскопия, детектируют и усредняют данные, исходящие с относительно большой плошади размерами от нескольких микрон до нескольких миллиметров в поперечнике.
СТМ, наоборот, может получать спектры с площадей, сравнимых по размерам с отдельными атомами. Электронная структура атома зависит от его разновидности (является ли он, к примеру, атомом кремния или атомом углерода), а также от его местного химического окружения (сколько вокруг него атомов, какого они типа и как симметрично распределе- ны). Исследование зависимости сигнала СТМ от местной электронной структуры поверхности известно как сканируюшая туннельная спектроскопия. СТС охватывает ряд методов; получение «топографических» (в режиме постоянного тока) изображений с использованием различных рабочих напряжений и сравнение их; получение «токовых изображений» (в режиме постоянной высоты) при различных зазорах; варьирование рабочего напряжения при позиционировании острия над интересующим элементом топографии с одновременной регистрацией тока туннелирования. В последнем случае получают вольт-амперные характеристики электронной структуры в данной точке.
Можно настроить СТМ для снятия вольт-амперных кривых в каждой точке сканирования„ создавая, таким образом, трехмерную карту электронной структуры. Используя синхронизированный усилитель, можно непосредственно получать кривые зависимостей А1/й(1 (проводимость) или а7/й (рабочая функция — изменение тока при изменении зазора) от напряжения У.
Все это методы зондирования местной электронной структуры поверхности с применением СТМ. Атомно-силовая микросквяия 1АСМ), или сканирующая силовая микроскопия (ССМ), была изобретена в 1986 г. Биннигом, Кватом и Гербером. Как и любая сканируюшая микроскопия, АСМ использует датчик большой резкости, перемешающийся по поверхности образца в растровой разверстке. Атомно-силовые микроскояы (АСМ) появились как развитие СТМ-технологии, однако заложенные в них совершенно иные принципы позволяют исследовать поверхности любых материалов — проводящих, полупроводников, а также изоляторов, т. е. непроводяших электрический ток [62, ! 25, ! ЗЗ, 142[.
АСМ зондируют поверхность образца острой иглой длиной 1 — 2 мкм и диаметром обычно не более 10 нм, Игла устанавливается на свободном конце измерительной консоли. Основной принцип работы АСМ заключается в воздействии сил со стороны поверхности образца на острие сканируюшей иглы. Силы, которые чаще всего ассоциируются с АСМ, — это межатомные силы, называемая также ван-дер-ваальсовы. 120 121 123 122 и»» ЗЮЙДУ Сила На рис.
45 схематически пред- и ставлена кривая зависимости межакоиааиаиии ф~ томной силы от расстояния между острием иглы и образцом. Правая часть кривой характеризует ситуацию,когда атомы острия и поверхо ности разделены большим расстояи нием. По мере постепенного сблиа раино 'йя ~ жения они будут сначала слабо, а за» тем все сильнее притягиваться друг к другу, Сила притяжения будет возРис. 45. Зависимость силы растать до тех пор, пока атомы не мезкатомного взаимодейснавия сблизятся настолько, что их электона Расснаоннин менсдУ освРием онные облака начнут отталкиваться и образцом электростатически.
При дальнейшем уменьшении межатомного расстояния электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются при расстоянии между атомами порядка двух ангстрем, что приблизительно составляет длину химической связи. Когда суммарная межатомная сила становится положительной (отталкивающей), то это означает, что атомы вступили в контакт. В отношении контакта между острием сканирующей иглы и поверхностью исследуемого образца работа атомно-силового микроскопа обычно проходит в одном из режимов, соответствующим обозначенным на рис.
45 участкам кривой межатомного взаимодействия. Это контактный и бесконтактный режимы, сочетание которых дает так назыываемый режим «обстукивания» [133, 1361, При контактном режиме, известном иначе как режим отталкивания, острие сканирующей иглы АСМ приходит в мягкий «физический контакт» с образцом. Измерительная консоль, на свободном конце которой расположена игла, обычно характеризуется низкой константой упругости, величина которой должна быть меньше, чем эффективная константа упругости, удерживающая атомы образца вместе.
Наклон кривой на графике межатомных сил в области отталкивания, или контакта, очень крутой (рис. 45). Вследствие этого отталкивающая сила уравновешивает практически любую силу, которая пытается сблизить атомы друг с другом. Для АСМ это означает, что если измерительная консоль прижимает острие иглы к поверхности, то консоль скорее изогнется, чем ей удастся приблизить острие к атомам образца. Даже если изготовить очень жесткую консоль, чтобы приложить огромную силу к образцу, межатомное расстояние между острием и атомами образца уменьшится ненамного. Вероятнее всего деформируется поверхность образца. Для контактного АСМ отталкивающая межатомная сила должна быть уравновешена другими усилиями.
Это происходит благодаря наличию двух сил — капиллярной и консольной, Капиллярная сила — это воздействие на острие сканирующей иглы со стороны тонкого слоя влаги, обычно присутствующего на поверхностях, находящихся в обычной среде. Капиллярная сила возникает, когда адсорбированная на поверхности влага приподнимается вокруг острия (рис. 46). Оказываемое на острие сильное притягивающее воздействие (около 10 ' Н) удерживает его в контакте с поверхностью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
