Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию (1027508), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Еслитеперь между объектом и зондом создать небольшую разность потенциалов, электроны будут «перескакивать» через зазор (или, как говорят физики, туннелировать), и появится слабый туннельный ток.Для малых расстояний L острие иглы уже нельзя считать плавно закругленным: на нем почти наверняка будут отдельные выступы высотой внесколько атомов.
Некоторые из выступов ближе других расположены кзондируемой поверхности, и именно через них протекает туннельный ток,72резко улучшая пространственное разрешение прибора. Иногда микровыступы на конце эмиттера создают специально, подвергая иглу бомбардировке энергичными ионами. Другая методика состоит в наращивании микровыступов сильным электрическим полем (порядка 108 В/см), котороестимулирует миграцию атомов по поверхности иглы и их стекание на самый кончик с образованием микроострий. Электроны из образца туннелируют на иглу, создавая таким образом туннельный ток.
Для туннелирования необходимо, чтобы сканируемое вещество было проводящим (или полупроводящим). При оценке туннельного тока IТ полагают, что потокэлектронов «стекает скрайнего атома» на кончике иглы, образуя пучокэлектроновдиаметромпорядка 0,4 нм (что обеспечивает высокую разрешающую способностьмикроскопа по плоскостиобъекта). Величина этоготока чрезвычайно чувствительна к расстояниюобразец – игла, поэтомупри увеличении расстояния только на 0,1 нм туннельный ток IТ уменьшается почти в 10 раз. Этообеспечиваетвысокуюразрешающуюспособность микроскопа поРис.
2.16. Схема протекания туннельного тока междувысоте объекта, поскользондом и объектом:ку незначительные изме- 1 – зонд; 2 – пучок электронов; 3 – объект (образец);нения по высоте рельефа U – разность потенциалов между зондом и объектом;поверхности вызывают IT – туннельный ток; L – расстояние между зондом исущественное увеличе- объектом; F – площадь туннельного контактание или уменьшение туннельного тока. Типичные значения величины тока1 – 1000 пА при расстоянии около 1 Å.В процессе сканирования игла движется вдоль образца, туннельныйток поддерживается стабильным за счет действия обратной связи, и удли73нение следящей системы меняется в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот.Чтобы изобразить «контурную карту» поверхности, можно либо следить заколебаниями туннельного тока, протекающего через микроскоп, либо,поддерживая ток постоянным, следить за перемещениями иглы вверх –вниз при сканировании.
Эти перемещения повторяют рельеф поверхности.Практически, однако, удобнее измерять вариации электрического напряжения, которое подается на пьезоэлемент, удерживающий иглу на фиксированном расстоянии от исследуемой поверхности. Любое изменение этого расстояния вызывает либо уменьшение, либо увеличение управляющегонапряжения. Это и дает информацию о рельефе поверхности, которую легко можно ввести в ЭВМ, передать по каналам связи, вывести на экран дисплея и на другие периферийные устройства.
Изображение атомного рельефа поверхности получается весьма наглядным.При работе СТМ расстояние между объектом и зондом L ≈ 0,3 ...1 нм ,поэтому вероятность нахождения между ними молекул воздуха при нормальных атмосферных условиях очень мала, т.е. протекание туннельноготока происходит в «вакууме». Окружающая среда влияет только на чистоту исследуемой поверхности, определяя химический состав адсорбционных слоев и окисление ее активными газами атмосферы. Отсюда вытекаетважный для фактического применения принцип работы СТМ: для работысканирующего туннельного микроскопа вовсе не требуется высокий вакуум, как для электронных микроскопов других типов.Существуют два основных способа манипуляции атомами с помощью иглы СТМ: горизонтальный и вертикальный. При вертикальной манипуляции после захвата нужный атом отрывают от поверхности, поднимая зонд на несколько ангстрем.
Отрыв атома от поверхности контролируют по скачку тока. Разумеется, отрыв и перетаскивание атома требуетбольших усилий, чем просто его «перекатывание» по поверхности, как пригоризонтальной манипуляции, но зато потом процесс переноса не зависитот встречающихся на поверхности препятствий (ступеней, ям, адсорбированных атомов).
После перемещения в необходимое место атом «сбрасывают», приближая острие к поверхности и переключая напряжение на игле.Игла-зонд сканирует поверхность с некоторым зазором. Как показано выше, если к образующемуся зазору прикладывается разность потен-74циалов, – возникает туннельный эффект. Измерение изменяющегося туннельного тока позволяет определить топографию поверхности.Туннельный ток определяется как[I = 10 exp − C (ϕΖ )1/ 2],где C = 10,25 эВ −1 / 2 нм −1 - постоянная;ϕ - высота потенциального барьера (обычно ϕ = 4 эВ ), эВ;Z = (0,5 − 1,0) нм - расстояние между электродами.Экспоненциальная зависимость туннельного тока I от величины Zопределяет высокую чувствительность измерений.
Считается, что с помощью туннелирования можно измерить объекты размером до 0,001 нм.Как известно, полная энергия частицы Е представляет собой суммупотенциальной и кинетической энергии. Если потенциальная энергия внекоторой области принимает вид:0, х<0U(х) = Uо, 0<х<а,0, х>аа полная энергия E <U o , то в этом случае говорят, что частица находится вобласти потенциального барьера. В классической механике частица с такой энергией не может преодолеть барьер и отражается от него.
В квантовой механике существует определенная вероятность прохождения частицычерез барьер, то есть частица может «туннелировать» сквозь него. Если этавероятность достаточно большая, тогда говорят, что барьер туннельнопрозрачный.ПринципработыСТМ основан на явлениитуннелирования электронов через узкий зазор между металлическим зондом и проводящим образ- Рис. 2.17. Схема туннелирования электронов черезцом во внешнем электри- потенциальный барьер в туннельном микроскопеческом поле (рис.
2.17). ВСТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояние в несколькоангстрем. При этом образуется туннельно-прозрачный потенциальныйбарьер шириной ΔΖ , высота которого определяется в основном значениямиработы выхода электронов из материала зонда РP и образца РS . В рамках75качественного рассмотрения барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой, равной средней работе выхода материалов:Р=1(PP + PS )2.Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния позволяет осуществлять регулирование расстояния между зондом и образцомв туннельном микроскопе с высокой точностью. СТМ представляет собойэлектромеханическуюсистему с отрицательной обратной связью.Система обратной связи поддерживает величину туннельного токамежду зондом и образцом на заданном уровне (I 0 ) . Если существует достаточно резкая ивзаимно однозначнаязависимость параметраРис.
2.18. Схема системы обратной связи зондовогоР от расстояния зонд –микроскопаобразец P = P( z ) , тоданный параметр может быть использован для организации системы обратной связи (ОС), контролирующей расстояние между зондом и образцом. На рис. 2.18 схематично показан общий принцип организации обратной связи сканирующего зондового микроскопа.Система обратной связи поддерживает значение параметра Р постоянным, равным величине Р0 , задаваемой оператором.
Если расстояниезонд – поверхность изменяется (например увеличивается), то происходитизменение (увеличение) параметра Р. В системе ОС формируется разностный сигнал, пропорциональный величине Р = Р − Р0 , который усиливаетсядо нужной величины и подается на исполнительный элемент (ИЭ). Исполнительный элемент отрабатывает данный разностный сигнал, приближаязонд к поверхности или отодвигая его до тех пор, пока разностный сигналне станет равным нулю. Таким образом, можно поддерживать расстояниезонд – образец с высокой точностью. В существующих зондовых микроскопах точность удержания расстояния зонд – поверхность достигает ве76личины ~0,01 А.
При перемещении зонда вдоль поверхности образца происходит изменение параметра взаимодействия Р, обусловленное рельефомповерхности. Система ОС отрабатывает эти изменения, так что при перемещении зонда в плоскости X, Y сигнал на исполнительном элементе оказывается пропорциональным рельефу поверхности.Для получения СЗМ изображения осуществляют специальным образом организованный процесс сканирования образца. При сканированиизонд вначале движется над образцом вдоль определенной линии (строчнаяразвертка), при этом величина сигнала на исполнительном элементе, пропорциональная рельефу поверхности, записывается в память компьютера.Затем зонд возвращается в исходную точку и переходит на следующуюстроку сканирования, и процесс повторяется вновь. Записанный таким образом при сканировании сигнал обратной связи обрабатывается компьютером, и затем СЗМ изображения рельефа поверхности Z = f (x, y ) строится спомощью средств компьютерной графики. Наряду с исследованием рельефа поверхности, зондовые микроскопы позволяют изучать различныесвойства поверхности: механические, электрические, магнитные, оптические и многие другие.Контроль величины туннельного тока, а, следовательно, и расстояния зонд – поверхность осуществляется посредством перемещения зондавдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента.Любой механический привод весьма груб, поэтому перемещениямииглы на субатомные расстояния управляют с помощью пьезоэффекта.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
