Физические основы методов исследования наноструктур (1027625), страница 35
Текст из файла (страница 35)
При настройке прибора геометрия расположения лазера и фотодиода устанавливается таким образом, чтобы в положение равновесия кантилевера (т.е. при отсутствии сил взаимодействия с поверхностью) отраженный лазерный луч попадал в центр фотодетектора. Отклонение зонда в процессе сканирования приводит к отклонению лазерного луча и перемещению его пятна по фотодатчику. Измеряя соотношение фототоков в вертикальных сегментах фотодиода (см. рис.5.17) и зная геометрию прибора, можно определить изменение расстояния между зондом и поверхностью образца,т.е. получить морфологию поверхности.
Возникающая в процессесканирования боковая сила (сила трения) изгибает кантилевер в направлении сканирования, что также может быть зарегистрированопо изменению фототока в горизонтальных сегментах фотодатчика.Отметим, что для упрощения детектирования в данной схеме сканирование осуществляется путем перемещения образца относительно неподвижного зонда.5.5.
Использование методов СЗМ в исследовании наноструктур и поверхности твердого телаБлагодаря своим уникальным характеристикам, группа методовСЗМ является наиболее широко используемой при исследованииструктур на поверхности твердого тела. Так, пространственное разрешение метода СТМ позволяет наблюдать отдельные атомы наповерхности и исследовать процессы реконструкции поверхности,адсорбции атомов, зарождения и роста островков новой фазы. Режим СТС дает возможность анализа электронных свойств поверхностных структур, дефектов и наноразмерных объектов с атомнымразрешением. Метод АСМ позволяет исследовать морфологию непроводящих образцов, а также измерять локальную твердость, упругость, вязкость, сопротивление образца.212Рис.5.18.
СТМ-изображение реконструированнойповерхностикремния Si(111)7×7, полученнойпри напряжении V=1.96 В и туннельном токе I=0.4 нА; чернымромбом выделена элементарнаяячейка, внутри которой находится12 адатомов, длины диагоналейсоставляют d1=46.6 Ǻ, d2=26.9 Ǻ(а); DAS-модель Такаянаги реконструкции 7×7 (А – вид сверху, Б –вид сбоку); элементарная ячейкасодержит 12 адатомов и 9 димеров60)(б)Одним из наиболее ярких примеров использования метода СТМв истории исследования поверхности является наблюдение структуры реконструированной поверхности кремния Si(111)7×7. Ранее спомощью метода ДМЭ было установлено, что эта реконструкцияхарактеризуется периодом, превышающим период объемной решетки в семь раз, и элементарной ячейкой, содержащей 49 атомовSi. Однако детальное расположение этих атомов в ячейке оставалось неопределенным, а многочисленные модели этой структурызачастую противоречили друг другу.
На рис.5.18, а приведено топографическое СТМ-изображение реконструкции 7×7 поверхностиSi(111) с атомным разрешением. Полученный результат позволилполностью исключить из рассмотрения все многочисленные модели поверхности Si(111)7×7. Несколько позже группе японских физиков под руководством К. Такаянаги на основе экспериментов попросвечивающей электронной микроскопии и электронографииудалось построить свою, так называемую DAS-модель реконструкции 7×7 (см.
рис.5.18, б), которая предполагает реконструкцию иболее глубоких слоев в приповерхностной области. DAS-модельхорошо согласуется с результатами большинства экспериментов,213выполненных с использованием ряда независимых методов, и в настоящее время считается общепринятой 59).На рис.5.19 представлено СТМ-изображение поверхности кремния Si(111) с монослоем адсорбированных атомов алюминия, образующих структуру поверхности Si(111) - ( 3 × 3 )Al .
Изображение получено в режиме постоянного тока при положительном няпряжении на образце V=+1.2 В, отвечающем туннелированию электронов из зонда в незаполненные электронные состояния образца.Светлые области соответствуют адатомам Al, в то время как темные участки – областям чистой поверхности Si(111).
Наблюдаемыйконтраст изображения объясняется различием локальной электронной плотности у атомов Al и Si: pz-орбитали атомов Al являютсянезаполненными, в то время как у Si они смещены по энергии нижеуровня Ферми и являются занятыми. Изменение полярности прикладываемого к образцу напряжения приводит к обращению контраста изображения: атомы Si становятся более яркими, чем адатомы Al.
Этот пример демонстрирует тот факт, что методика СТМчувствительна не только к рельефу поверхности исследуемого образца, но и к его локальной электронной плотности поверхности 60).Рис.5.19. СТМ - изображение поверхности Si смонослоем адсорбированных атомов Al, образующих поверхностную решетку Si(111) - ( 3 × 3 ) Al ,полученное в режиме постоянного тока. Светлыекружки соответствуют атомам Al, темные – поверхностные дефекты в монослое адатомов алюминия, представляющие собой атомы Si 61)Рис.
5.20 демонстрирует возможность непосредственного исследования электронной структуры поверхностных дефектов с помощью измерения вольт-амперных характеристик с атомным разрешением. На рис.5.20 приведены туннельные спектры, полученные впяти точках, находящихся на различном расстоянии от точечногодефекта на поверхности Si(001). Вдали от дефекта (спектры д, е)59)60)Р.З. Бахтизин // Соросовский образовательный журнал, 6 (2000) с.83.R.J. Hamers // Annu. Rev. Phys.
Chem. 40 (1989) p.531.214вольт-амперные характеристики имеют характерный для полупроводника вид с областью нулевого тока вблизи V=0, отвечающей запрещенной зоне, и резким возрастанием туннельного тока вне данной области. По мере приближения к дефекту вольт-амперные кривые (б, г) сглаживаются, а непосредственно в области точечногодефекта (кривая в) наблюдается экспоненциальный рост туннельного тока выше и ниже нулевого напряжения, отвечающего положению уровня Ферми.
Это свидетельствует о высокой плотностиэлектронных состояний в области данного точечного дефекта 61).ТопографическоеРис.5.20.СТМ-изображение поверхности Si(001) с точечными дефектами (а) и туннельныевольт-амперные характеристики, показывающие различиялокальной электронной структуры поверхности (поверхностные состояния в запрещенной зоне) в точках на различном расстоянии от точечногодефекта (б-е) 61)Для исследования локализованных электронных состояний методом СТС обычно используют дифференциальные туннельныевольт-амперные характеристики, качественно отражающие структуру плотности электронных состояний исследуемого объекта.
Локализованные энергетические уровни проявляются в дифференциальных туннельных спектрах в виде отдельных дискретных пиков.Так, методом СТС наблюдались локализованные электронные состояния на поверхностных дефектах графита, сформированныхтравлением поверхности ионами водорода 61).61)Z. Klusek et al. // Appl. Surf. Sci. 161 (2000) p.508.215Рис. 5.21. СТМ-изображение участка поверхности графита (0001) размером280×280 нм с поверхностными дефектами в виде круглых ямок, образовавшимисяпосле травления ионами водорода (а); схематическое изображение структуры дефекта на поверхности графита (б) 62); расчетные плотности электронных состоянийатомно-гладкой (вверху 62) и ступенчатой (внизу 63) поверхности графита с локализованным состоянием на уровне Ферми (в); экспериментальные дифференциальные туннельные вольт-амперные характеристики поверхности графита скруговыми дефектами, измеренные на различном расстоянии от края дефекта: 2 нм(кривая 1), 1.5 нм (кривая 2), 1.0 нм (кривая 3), 0.5 нм (кривая 4) и непосредственно на краю дефекта (кривая 5) (г).
Максимум вблизи энергии 0.2 эВ выше уровняФерми можно объяснить локализованными состояниями на краю дефекта на поверхности графита 62)На рис.5.21 схематически показана структура дефекта и СТМизображение дефекта поверхности графита, а также полученныеэкспериментально дифференциальные туннельные вольт-амперныехарактеристики, измеренные на различных расстояниях от края дефекта.
Видно, что по мере приближения зонда микроскопа к краюдефекта (кривые 1-5 на рис.5.21, г) в дифференциальных ВАХ принапряжении ~0.2 В возникает пик, который можно интерпретировать как появление локализованных на краю дефекта электронныхсостояний с энергией 0.2 эВ выше уровня Ферми графита. Этот вы62)J.H. Wu, F. Hagelberg, K. Sattler // Phys.Rev.B 72 (2005) 085441216вод качественно подтверждается теоретическими расчетами плотности электронных состояний ступенчатой дефектной поверхностиграфита, которые свидетельствуют о появлении локализованныхэлектронных состояний вблизи энергии Ферми (см. рис.5.21, в) 63).Кодним из наиболее интересных наноразмерных объектов, широкоисследуемых в последние годы, относятся нанокластеры металловна поверхности подложки.
Внимание к таким объектам обусловлено их уникальными свойствами, отличающими нанокластеры как отмакроскопического металла, так и от отдельных атомов. МетодСТМ/СТС позволяет проводить исследование атомной структуры иморфологии отдельных нанокластеров, характеризовать структуруансамбля нанокластеров (распределение кластеров по размерам ирасстояниям), исследовать электронные характеристики нанокластеров и их эволюцию с изменением размера кластеров, включаяпереход кластеров металла в неметаллическое состояние.Рис.5.22. Топографические СТМ-изображения (7×7 нм) с атомным разрешениемнанокластера Au, сформированного на поверхности графита ВОПГ(0001) методомимпульсного лазерного осаждения (а) 65) и нанокластеров Pd, термически осажденных на поверхность диоксида титана TiO2(110) (б) 66)На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
