Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твердого тела (1040989), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Изучение поверхностсй являстся важной частью физики, особенно необходимой в физико полупроводпиков и в микрозлсктроникс. В химии повсрхносзныс реакции тожс играют важную роль, например в катализс. Можно, кромс того, фиксировать органичсскис молскулы на поверхности и изучать их строснис. Среди прочих приложений эту технику можно использовать для исслсдования молскул ДНК». Вспоминая о том, что он чувствовал, узнав о награждс- 4а Фо ос -В;: иприт ж .Кб!.11п~-с) 1 род Ле;к |пар1;пгб) 1Ьк)и 11 184 нии, Бишпп" отмстил: «Это было прскрасно и ужасно одноврсмснно», поскольку это было признанисм большого успеха, но одноврсмсшю означало завершснис «захватывакнцсго открытия».
Мстоды СЗМ входят в большую группу микроскопических методов, однако только они позволяют «увидсть» отдсльныс атомы повсрхности твсрдого тела. Развитие микроскоппчсских методов берет свое начало в ХУ веке от изобретсния увеличитсльного стекли. В ХУИ веке Лсвснгуком был изобретен первый оптичсский микроскоп, который позволил установить сушсствование отдельных клеток, микробов и бактсрий. Однако сколь совсршснными ни были бы оптичсскис микроскопы„ они никогда нс позволят разрешить отдельные атомные структуры, поскольку длина волны видимого света почти в 2000 раз большс размер атома (Л вЂ” 6ООО А, Ы - 3 А). Попытка рассмотрсть атомы в оптичсский микроскоп аналогична нопьггкс заметить на тсннисном кортс трсшину толшиной в человеческий волос судя по отскоку теннисного лича! Открытие квантовой мсханики и волновых свойств электрона в !920-х годах послужило основой создания злсктронных микроскопов, работакнцих на принциис дифракцин.
Электронная микроскопия высокого разрсшсния позволяст видсть атомные плоскости и ряды, измерять межшюскостнос расстояние„однако увидсть отдельно стояший атом дифракционные методы нс позволяют. Чтобы сравнить характеристики по пространствсшюму разрсшсшпо различных микроскопических мсгодов, рассмотрим рис.5.2 Как видно из рисунка, наилучшим разрешением в плоскости обладают мстоды ПЭМ и СЗМ, однако первый замстно уступаст второму по разрешению по высоте. Мстоды СЗМ дают уникальную возможность получсния изображения поверхности с атомным разрешснисм по вссм трсм координатам.
Благодаря своим уникальным возможностям посла свосго изобрстсния метод СТМ получил бурное развитис, породив цслую группу мстодов СЗМ. Уникальные возможности СЗМ заключаются в слсдуюшем: 185 то' «о' то' Разрешение в плоскости, А 1) постранствсннос разрсшснис в плоскости поверхности -1 А, в перпендикулярном направлснии аппо высоте) — О.! А; 2) осутствцс нсобходимости работы в условиях СВВ; возможность провсдсния исслсдований на атмосфсрс и в жидкости (в этом случае атомпос разрешение достигается нс вссгда); 3) плучснис информации о профилс поверхности, ес шероховатости, твсрдостн„намагничснности, локалыгой работс выхода, плотности электронных состояний с атомным разрешением; 4) взможность работы в широком диапазонс тсмпсратур т =4-:1ООО К; 5) взможность создания комбинированных исслсдоватсльских коашлсксов ~напримср.
РЭМ-СТМ)„. 6) шрокий спскгр исследуемых образцов (проводящие, нспроводящис, мап~итныс, биологичсскис). Методы СЗМ нашли самос широкое приатспсния в различных облас~~~ пауки и тсхники: - физика и химия поверхности на атомном уровнс (адсорбция и рост островковых плснок„напокатализ, повсрхностныс дсфскты); "з" Й. Кук, П. Силвермаи Ч! )рийоры )гля ивуч. исслсл,„2 11989) с.З.
1Зб 1 об ~ то' о е зоР О. Рис.5.2. С'оиосзавлснис пространственного разрешения различных микроскопических мстояоьч оитическая микроскоиия (ОМ). растровая злсктроиная микроскопия (Р..)М). иросвечиваиоии1я злектрониая микроскопия 1П,.)М), скаииручоиьзя зоняовая микроскоиия 1СЗМ) "-" - нанотсхнологии (исслсдонанис наноструктур, нанокластсрон, фуллсрснов, нанотрубок, атомная и молскулярная сборка, манипулирование атомами на новсрхшгсти); - биология и медицина (исслсдования вирусов„молекул ДНК и их рсакцни на различныс впсшнис факторы).
В слсдуюших раздслах будут рассмотрены физичсскнс основы н нримснсиие двух методов группы СЗМ вЂ” мстода сканиругощей туннслыюй микроскопии и мстода атомно-силовой микроскопии. 5.2. Физические основы СТМ Метод СТМ основан на эффектс туннслирования электрона через потснциальный барьер мсжду поверхностью исследуемого образца и зондом микроскопа и позволяст исслсдовать профиль распрсдслсния элскгронной нлопюсти по поверхности образца.
рис.6.3. Энсргсгичсская диаграмма тунисльнгао контакта двух ировояииков с иотсиниальнгам барьс)юм 9З(Л) произволыюй формы. иллюсзрирую1иая осиовныс харакгсристики гуннсльного кон гаьга: (Р— с)зсдняя вьгсога оа1зьсра, г1 гии)инга насги г1отсн!ньзяык1го Оа)нора. иахоляигсйся выгнс уровня Фсрми 1ГЛ .), 1'-- иаиряжсиис, ирилохксниос к правому злсктроду, сдвигаюгнсс ого уровсиь Фсрми вниз относительно уровня Ферми '1сво!'о зло к г)юда Зонд СТМ представляст собой тонкую проводящую иглу с радиусом закругления острия -1О нм.
рассмотрим в качестве нримсра туннслированис злсктрона чсрсз вакуумный зазор мсжду двумя мсталлами. Пусть г~ — расстоянис между зондом и образцом (гнирнна патеш1иального барьсра)„а (р,. и д, — работа выхода материала образца и зонда соотвстствснно. Тогда срсдняя высота потснциального барьсра можст быть записана как (р = ((рх + (р,) /2 .
Энсргстичс- ~' З.А. КиЬЬу, И. Во1аиг) д БигГЯс1. Кср. 26 11996) р.61. 187 скал диаграмма„иллюстрирующая данныс характсристики туннсльного барьсра, прсдставлсна на рис.5.3 Вследствие псрскрытия хвостов волновых функций элсктронов в образце и зондс возможст зуннсльный эффскт„т.с. переход электрона из занолнснного состояния одного пз проводников в свободнос состояние другого. В том случае, когда образсц и зонд элсктричсски сосдинсны друг с другом или заземлены, происходит выравнивание их химических потснциалов (уровней Ферми) и туннсльный ток отсутствуст„поскольку все состояния ннжс уровня Фсрми заполнены. Если на один из элсктродов (образец или зонд) приложить относитсльно другого потсцциал К, тогда сго уровень Фсрми сместится и станст возможно туннслированнс элсктронов в свободные состояния выше уровня Ферми, Направлснис туннельного тока мсжду зондом и образцом зависит от знака прикладывасмого потснциала.
Пусть для опрсдсленности зонд остается зазсмленным, а потенциал подается на образсц. Тогда ссли Р' > О, то уровснь Фсрми образца смсщастся вшзз и происходит туннслированис элсктронов из заполнснных состояний матсриала зонда с энсргиями от Е„' до Е,'. +ер' в свободныс состояния образца с энергиями от Е,',. до Е', — е~' (отсчст энсргии ведется относительно уровня вакуума). В случас Г < О уровень Фсрми образца смсгцастся ввсрх и туннслированис происходит из заполненных состояний образца в свободные состояния зонда.
Данныс процсссы схсматически проиллюстрированы на рис.5.4 в виде энсргстичсских диаграмм. Рассмотрим одномсрную задачу о туннслировании свободного элсктрона с энсргисй Е черсз прямоугольный потспциальный барьср высотой го и шириной ~1. Рсшснис уравпсшгя Шрсдиш.сра для возшовой функции элсктроиа ~е/(х) —, +(Г(х)-Е)Р=О Йз И'-р 2РП СУХ Схсмазическос изображение вшпювой фупкци электрона при гупнелировании чсрез барьер приведено на рис.5.5.
— >Нов Рис.5.5. Волновая функция 1К злсктрона с кннсти 1сской энергией Е, туинсли- ру1ощего иерс1 прямоугольный потенциальный барьер вь1сото11 Ро и И1нриной Ы. Э11сктрои лвнькстся верст барьер слева направо, Слева от барьера волновая функция '1 1ект~11НН1 Осцилл1Ч1уст. Внутри барьера вОлнОвая 11>ункция '1кспОнснциго1ьнО аатухасг с длиной затухания, гиниянос аначсинс ко1орой составляет 1,~л = Ьl ~21нгд — 1 А нрн раоотс выхода га = 4.5 '1В. справа о1 барьера волновая функкв1я алскгрона вновь является осциляиругощсй ' Коэффициенты А, 8, С ят и г в выражении (5.1) определяются из условия непрерывное~и волновой функции и се производной. Для барьера, ши1тина котг1рого ~но~о больше д~~~~ з~~у~а~и~ 1с( >> 1/к) коэффициент пропускания Т = ~Е/А~ представляется в вичс 161 к 15.2) 1 +к так что вероятность зуннелирования электрона через потенциальный барьср экспонснциально зависит от его ширины, Именно эта экспонснцпалыьая зависимость и определяет возможность получения методом СТМ изображения поверхности с атомным разрешением.
Действительно, при увеличении ширины барьера (расстоя11ия между зондом и образцом) па ЛН вЂ” 1 А туннсльный ток уменьшится в е =7 раз: 2 11г1) ехр( — 2кт!) 1~с(+ Лд) ехр1 — 2к1'И+ Лд)) 190 В случае одномерного потенциального барьера, плоской электронной волны и малых напряжений (Г « ер) туннельный ток через барьер высотой аф представляется в виде: х = В(ф ехр( — Аф фф) — (ф + е~') ехр~-Аф /ф+е7)), (53) где А и 8 — константы. При больших напряжениях 1Г >> ест ) потенциальный барьер из прямоугольного эффективно превращается в треугольный, а его ширина становится меньше расстояния между проводниками.
Выражснис 15.3) получено для свободного электрона и нс учитывает плотность электронных состояний в реальном проводникс. Туннсльный ток между двумя металлами с плотностью электронных состояний р- и р, для образца и зонда„соответственно, пред- ставлястся в виде: г= ~, 1„-),А,,+„~)у~~,,х,„);)ф,:) ~~,. „с)~, где Д~;:) — функция распределения Ферми, а 2 Т = схр — — с1 2!и(р+ еГ/2 — с) — вероятность туннслирова- Й ния, экспонснциально зависящая от ширины туннельного барьера Ы, В случае низких температур, когда размытисм ступеньки распределения Ферми (- 2ИТ = 0.05 )В при комнатной температуре) можно пренебречь, выражение 15.4) сводится к виду Е,.
+кг — 1р,.[~1р, ~~~-е~'~г~фа',е~',~~ф~. 1 Если плотность состояний материала зонда нс имеет особенностей в области энергий', соответствующей пределам интегрирования, тогда се можно считать постоянной и вынести за знак интеграла: Е, +еф 1 = р, 1 р,.(с)Г(ф, ф, а~",ы)~(с . ~5.6) А Таким образом, туннсльный ток пропорционален интегралу от плотности электронных состояний материала образца.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
