Физические основы методов исследования наноструктур (1027625), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Публикуется с любезного разрешенияпрофессора Т. Густафсона 41)41)P. Statiris, H.C. Lu, T. Gustafsson // Phys. Rev. Lett. 72 (1994) p.3574.180Эта особенность позволяет использовать метод СРБИ для исследования релаксации поверхности, что схематически показано нарис.4.20, а.Определение расстояния между атомными плоскостями поверхностного слоя основано на эффекте блокировки, когда при определенном угле рассеяния ионы, рассеянные на втором слое атомов,блокируются атомами первого атомного слоя. Таким образом, измерение угловой зависимости спектра рассеянных ионов позволяетопределить межплоскостное расстояние.Данный метод был использован при исследовании релаксацииповерхности Ag(111) при различных температурах. Угловые зависимости интенсивности сигнала ионов H+ c энергией 97.5 кэВ, рассеянных на поверхности Ag(111) при температурах Т=420, 820 и1150 К показаны на рис.
4.20, б. Сдвиг минимума в сторону бóльших углов при увеличении температуры свидетельствует об увеличении расстояния между первым и вторым атомными слоями поверхности. На рис.4.20, в приведены температурные зависимостимежплоскостных расстояний, полученные из анализа спектров рассеяния. Видно, что при низких температурах релаксация приводитк сжатию атомных слоев, а при T>700 К происходит их растяжение.При температурах Т~1000 К наблюдается аномально большое увеличение межплоскостного расстояния 42).1814.9. Контрольные вопросы к главе 41.
Каков физический механизм, обеспечивающий высокую чувствительность метода СРМИ?2. Оцените кинематический фактор при рассеянии ионов He+ наповерхности Ni при угле рассеяния ионов θ = 125° .3. Каковы механизмы нейтрализации? Оцените вероятность нейтрализации ионов He+ при рассеянии на поверхности Ni, если нормальная составляющая скорости ионов v ⊥ = 2 ⋅ 10 7 см/с.4. Проанализируйте выражение для интенсивности спектральнойлинии рассеянных медленных ионов. Какова должна быть зависимость I ( E0 ) , где E0 – энергия первичных ионов He+?5.
Выведите выражение для кинематического фактора k.6. Прокомментируйте появление двузначности ( ± ) в зависимости k (θ , μ ) .182Глава 5. Сканирующая зондовая микроскопия5.1. ВведениеВ предыдущих разделах мы рассматривали спектроскопическиеметоды, позволяющие получать информацию главным образом обэлементном и химическом составе наноструктур и поверхностныхслоев образца. Второй важнейшей задачей исследования поверхности является определения геометрического расположения атомовотносительно друг друга и нижележащих слоев.
В эту задачу входит:- определение симметрии расположения атомов (поверхностнойкристаллической решетки);- определение расположения атомов в элементарной ячейке поверхностной решетки.Эти задачи решаются микроскопическими и дифракционнымиметодами исследования поверхности, к которым относятся:- сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ, включая СТМ иАСМ);сканирующая(СЭМ/РЭМ);(растровая)электроннаямикроскопия- просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ);- дифракция медленных электронов (ДМЭ).К методам исследования поверхности и наноструктур, позволяющим анализировать взаимное расположение атомов, можнотакже отнести спектроскопию околопороговой области края поглощения рентгеновского излучения (XANES).В данном главе мы будем рассматривать группу методов СЗМ,дающих возможность прямого наблюдения атомов поверхности.Методы СЗМ включают в себя:- сканирующую туннельную микроскопию (СТМ);- атомно-силовую микроскопию (АСМ);183- электронно-силовую микроскопию (ЭСМ);- магнитно-силовую микроскопию (МСМ), а также их разновидности.Основы метода СЗМ были заложены Гердом Биннигом (GerdBinnig) и Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer) из исследовательскойлаборатории компании IBM в 1981 году, которые по праву считаются первооткрывателями метода СТМ.Рис.5.1.
Генрих Рорер (р.1933)(слева) и Герд Бинниг (р. 1947)(справа), изобретатели сканирующего туннельного микроскопа (Нобелевская премия по физике «за изобретение сканирующего туннелирующего микроскопа», 1986 г.) 42)В 1986 г. Бинниг и Рорер разделили половину Нобелевской премии по физике «за изобретение сканирующего туннелирующегомикроскопа». Другую половину премии получил Эрнст Руска заработу над электронным микроскопом. Награждая премией Биннига и Рорера, представитель Шведской королевской академии наукзаявил: «Очевидно, что эта техника обещает чрезвычайно много ичто мы до сих пор были свидетелями лишь начала ее развития.Многие исследовательские группы в различных областях наукипользуются сейчас сканирующим туннелирующим микроскопом.Изучение поверхностей является важной частью физики, особеннонеобходимой в физике полупроводников и в микроэлектронике.
Вхимии поверхностные реакции тоже играют важную роль, например в катализе. Можно, кроме того, фиксировать органические молекулы на поверхности и изучать их строение. Среди прочих приложений эту технику можно использовать для исследования молекул ДНК». Вспоминая о том, что он чувствовал, узнав о награжде42)Фото с сайта: http://www.kfki.hu/~cheminfo/hun/teazo/naptar/binnig.html184нии, Бинниг отметил: «Это было прекрасно и ужасно одновременно», поскольку это было признанием большого успеха, но одновременно означало завершение «захватывающего открытия».Методы СЗМ входят в большую группу микроскопических методов, однако только они позволяют «увидеть» отдельные атомыповерхности твердого тела.Развитие микроскопических методов берет свое начало в XV веке от изобретения увеличительного стекла. В XVII веке Левенгукомбыл изобретен первый оптический микроскоп, который позволилустановить существование отдельных клеток, микробов и бактерий.Однако сколь совершенными ни были бы оптические микроскопы,они никогда не позволят разрешить отдельные атомные структуры,поскольку длина волны видимого света почти в 2000 раз большеразмер атома ( λ ~ 6000 Å, d ~ 3 Å).
Попытка рассмотреть атомыв оптический микроскоп аналогична попытке заметить на теннисном корте трещину толщиной в человеческий волос судя по отскоку теннисного мяча!Открытие квантовой механики и волновых свойств электрона в1920-х годах послужило основой создания электронных микроскопов, работающих на принципе дифракции.
Электронная микроскопия высокого разрешения позволяет видеть атомные плоскости иряды, измерять межплоскостное расстояние, однако увидеть отдельно стоящий атом дифракционные методы не позволяют.Чтобы сравнить характеристики по пространственному разрешению различных микроскопических методов, рассмотрим рис.5.2Как видно из рисунка, наилучшим разрешением в плоскости обладают методы ПЭМ и СЗМ, однако первый заметно уступает второму по разрешению по высоте. Методы СЗМ дают уникальную возможность получения изображения поверхности с атомным разрешением по всем трем координатам.Благодаря своим уникальным возможностям после своегоизобретения метод СТМ получил бурное развитие, породив целуюгруппу методов СЗМ.
Уникальные возможности СЗМ заключаютсяв следующем:185Рис.5.2. Сопоставление пространственного разрешения различных микроскопических методов: оптическая микроскопия (ОМ), растровая электроннаямикроскопия (РЭМ), просвечивающаяэлектронная микроскопия (ПЭМ), сканирующаязондоваямикроскопия(СЗМ) 43)1) постранственное разрешение в плоскости поверхности ~1 Å, вперпендикулярном направлении (по высоте) ~ 0.1 Å;2) осутствие необходимости работы в условиях СВВ; возможность проведения исследований на атмосфере и в жидкости (в этомслучае атомное разрешение достигается не всегда);3) плучение информации о профиле поверхности, ее шероховатости, твердости, намагниченности, локальной работе выхода,плотности электронных состояний с атомным разрешением;4) взможность работы в широком диапазоне температурT = 4 ÷ 1000 К;5) взможность создания комбинированных исследовательскихкомплексов (например. РЭМ-СТМ);6) шрокий спектр исследуемых образцов (проводящие, непроводящие, магнитные, биологические).Методы СЗМ нашли самое широкое применения в различныхобластях науки и техники:- физика и химия поверхности на атомном уровне (адсорбция ирост островковых пленок, нанокатализ, поверхностные дефекты);43)Й.
Кук, П. Силверман // Приборы для науч. исслед., 2 (1989) с.3.186- нанотехнологии (исследование наноструктур, нанокластеров,фуллеренов, нанотрубок, атомная и молекулярная сборка, манипулирование атомами на поверхности);- биология и медицина (исследования вирусов, молекул ДНК иих реакции на различные внешние факторы).В следующих разделах будут рассмотрены физические основы иприменение двух методов группы СЗМ – метода сканирующей туннельной микроскопии и метода атомно-силовой микроскопии.5.2.
Физические основы СТММетод СТМ основан на эффекте туннелирования электрона через потенциальный барьер между поверхностью исследуемого образца и зондом микроскопа и позволяет исследовать профиль распределения электронной плотности по поверхности образца.Рис.5.3. Энергетическая диаграмма туннельного контакта двух проводников спотенциальным барьером ϕ (x) произвольной формы, иллюстрирующая основные характеристики туннельногоконтакта: ϕ – cредняя высота барьера, d–ширина части потенциального барьера,находящейся выше уровня Ферми (F.L.),V – напряжение, приложенное к правомуэлектроду, сдвигающее его уровеньФерми вниз относительно уровня Фермилевого электрода 44)Зонд СТМ представляет собой тонкую проводящую иглу с радиусом закругления острия ~10 нм.
Рассмотрим в качестве примератуннелирование электрона через вакуумный зазор между двумя металлами. Пусть d – расстояние между зондом и образцом (ширинапотенциального барьера), а ϕ s и ϕ t – работа выхода материала образца и зонда соответственно. Тогда средняя высота потенциального барьера может быть записана как ϕ = (ϕ s + ϕ t ) / 2 . Энергетиче44)J.A.
Kubby, J.J. Boland // Surf.Sci. Rep. 26 (1996) p.61.187ская диаграмма, иллюстрирующая данные характеристики туннельного барьера, представлена на рис.5.3 Вследствие перекрытияхвостов волновых функций электронов в образце и зонде возможеттуннельный эффект, т.е. переход электрона из заполненного состояния одного из проводников в свободное состояние другого.В том случае, когда образец и зонд электрически соединеныдруг с другом или заземлены, происходит выравнивание их химических потенциалов (уровней Ферми) и туннельный ток отсутствует, поскольку все состояния ниже уровня Ферми заполнены. Еслина один из электродов (образец или зонд) приложить относительнодругого потенциал V, тогда его уровень Ферми сместится и станетвозможно туннелирование электронов в свободные состояния вышеуровня Ферми.
Направление туннельного тока между зондом и образцом зависит от знака прикладываемого потенциала. Пусть дляопределенности зонд остается заземленным, а потенциал подаетсяна образец. Тогда если V > 0 , то уровень Ферми образца смещается вниз и происходит туннелирование электронов из заполненныхсостояний материала зонда с энергиями от E Ft до E Ft + eV в свободные состояния образца с энергиями от E Fs до E Fs − eV (отсчетэнергии ведется относительно уровня вакуума).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
