Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Прибор позволял также разрешать детали структуры вблизи отдельного атома. Аналогов ему не было. В 1986 году Г. Биннинг и Г. Рорер были удостоены Нобелевской премии по физике за создание сканирующего туннельного микроскопа, с помощью которого удалось получить разрешение 0,02 А по нормали к исследуемой поверхности и 2 Л в плоскости образца. Одним из достоинств этого метода является то, что в процессе исследования образец не подвергается разрушению. 7.2. Физические явления на границе "острие — поверхность" 7.2.1.
Туннепьный ток 7унне<юный эффект представляет собой физическое явление проникновения микрочастнц сквозь энергетические барьеры, величина которых превосходит собственную энергию мнкрочастиц помощью туннельного эффекта объясняются такие физические явления, как холодная "иссия электронов из металлов в сильном электрическом поле, распад радиоактивных Ядер, протекание электрического тока через тонкие диэлектрики, туннельные токи в све "ерхпроводниках и многое другое, В на г'астоящее время явление туниелирования электронов широко используется в спектроскоп опии элементарных возбуждений металлов, в биофизике, химии, экспериментальной физике. Вак Уумнае туннелирананне — явление прохождения тока через контакт двух проводников в Разделенных вакуумным зазором.
Обыч чно это — металлический зонд в виде остро заточенной иглы и поверхность исследуем "ого вещества (рис. 7.1). В первых экспериментах использовались вольфрамовые иглы и пл 'латиновые пластины. В дальнейшем круг исследуемых поверхностей существенно сширился. Часть 1. Вакуумная и плазменная электроника 17х Рис. тп. Исследование туннельного тока в промежутке "игла — поверхнсстгд 1 — игла, 2 — псверхносты Ю, ц К в геометрические параметры зонда; Я в резистор операционного усилителя Коэффициент прохождения зх частиц массой .И с энергией Е через потенциальный барьер высотой Ф и шириной гУ определяется соотношением: УЗ = 4Уг2т)2 '(Уг2- 02)зй201 ь 4)г202, 17,1) ~ -)2у( — гп .
ь =им 2хх . Туннельный ток через вакуумный зазор шириной уу определяется следующей зависимостью: I = ехр( — Д ГФг)), г7.2) Блу где Л=)~ — =1,025 эВ ' .А „Ф вЂ” средняя работа выхода веществ острия и поверх- тз ности. Из формулы (7.1) следует, ио изменение величины г) на несколько ангстрем, т. е, на величину моноатома, приводит к изменению туннельного тока на три порядка. Именно такая резкая зависимость туннельного тока от величины вакуумного зазора позволяет получить сверхвысокое разрешение, При этом величина напряжения на зазоре поддержи- вается постоянной.
На рис. 7.2 приведена тонная диаграмма туннельного контакта двух проводников и огибающие волновые функции электронов в металле и барьере в приближении эффективной массы. Рис. 7.2. Зонная диаграмма туннельного хонтахга двух проводников у Введение в зондовую микроскопию В потенциальном барьере волновая функция электронов затухает экспоненциально и тун„льное сопротивление )7 зазора оказывается очень чувствительно к изменению тУ; Я = Р ехрП,025т)Фн'], (Л', чХ„) гд е значение величины Ф = ' " является усредненной работой выхода, а напряже- 2 иие на зазоре )т «Ф е . На рис. 7.3 приведена зависимость величины туннельного тока от величины зазора.
Велич,тна зазора сравнима с величиной межмолекулярных расстояний и длиной пробега ато, ов в воздухе. Поэтому можно считать, что туннельный ток в зазоре протекает как в условиях вакуума. Напряженность электрического поля в зазоре достигает значений 10' В(см. осли с помощью обратной связи туннельный ток, а, следовательно, сопротивление К поддерживать гюшоянным, то напряжение будет меняться в соответствии с рельефом поверхности. В этом случае можно получить информацию о топографии поверхности при условии постоянства работы выхода. разрешающая способность индикации поверхности зондом с радиусом закругления г определяется соотношением: иг з~г,~(ц~'"~ь з,<;, (7.4) где г измеряется в ангстремах.
Рис. 7.3. Зависимость туннельного тока от величины зазора а"стим, что для получения высокого разрешения необходимо, чтобы кончик иглы состо"" ит 1 — 2 атомов, Ясно, что высокое разрешение 5 можно получить при зтспользовании ост рня с радиусом закругления г < 100 Л, Это является типичным размером игл для змиссио ионных микроскопов. Су„ уп1ествует лва основных режима исследования поверхности. режим постоянного тока и режим нм постоянного положения пьезотрубки. еж "е'киме постоянного тока .у= сопз1, т, е, величина туннельного тока поддерживается посттж ояннои в процессе сканирования поверхности.
В этом случае топология исследуемой позе рхности будет пропорциональна амплитуде напряжения сигнала подаяаемого на пьезодатчик грис. 7.4, а). в нию п ом случае высота неоднородности на поверхности будет пропорциональна измене- положения зонда при условии поддержания постоянного значения туннельного тока. Часть I, Вакуумная и плазменная злекграника 1г4 в) ь Рис.
тяй Методы исследования поверхности: режим постоянного тока (а)( режим постоянного неподвижного зонда (б) В режиме постоянного положения пьезотрубки У= сопя( (рис. 7.4, б). В этом случае происходит регистрация туннельного тока, величина которого(, †.Гз пропорциональна неоднородности исследуемой поверхности ЬН. Если первый метод позволяет получить точную информацию о рельефе поверхности, то второй метод позволяет получить изображение в реальном масштабе времени. Периодическое изменение параметров вызывает осцилляции туннельного тока. Эта идея легла в основу модуляционных методик исследования поверхности. У.2.2. Силы атомных связей Между атомами вещества, а также между любыми сближающимися телами действуют силы межмолекулярного взаимодействия. На рис. 7.5 показаны характерные зависимости сил межмолекулярного взаимодействия В(а) и потенциала взаимодействия (б).
Пунктиром показана зависимость силы Бан-дер-Ваальса от расстояния. б) а) Рис. 7.а. Зависимость межмопекупярных сил взаимодействия (а) и потенциала взаимодействия (б) от расстояния РеатьнаЯ сила обРашаетсЯ в нУль пРи ((=- г(„, где Нь — Расстоание меигдУ центРами взаи модействующих молекул в положении равновесия. другими словами, в положении рав" новесия силы межмолекулярного взаимодействия равны нулю, а потенциальная энергн" принимает минимальное значение. 7 Введение в зондовую микроскопию Потенциал взаимодействия достаточно хорошо описывается формулой Леннарда-Джонса (7.5) где параметр (у имеет размерность энергии. На больших РасстоЯниЯх Р > с(с пРоисходиг пРитЯжение междУ молекУлами с силой пРопорцнональной й, а на малых расстояниях наблюдается отталкивание с силой пропор— ~3 й )7 Силы атомных связей лействуют также между зондом — острием и исследуемой поверхностью.
При приближении зонда к поверхности образца на него начинают действовать силы Ван-дер-ваальсового притяжения. Эта сила достаточно дальнодействующая и ощущается уже на расстоянии десятков ангстрем. Во влажном воздухе на поверхности образца присутствуют молекулы воды, и капиллярные силы увеличивают силу притяжения. При дальнейшем приближении зонда к образцу возникает процесс перекрытия электронных оболочек атомов зонда и атомов поверхности исследуемого образца. Это приводит к появлению сил оттачкивания. При небольших расстояниях отталкивающая сила становится доминирующей. На поверхности обре ща всегда имеется слой вдсорбированных атомов, состоящий из воды, компонентов воздуха, а также веизеств, с которыми образец контактировал или из которых изготавливался. Обычно толщина такого слоя составляет 2 — 50 нм.
При соприкосновении зонда с адсорбированным слоем возникают силы притяжения капиллярной природы. Эффект капиллярного притяжения сильно сказывается при отведении зонда от образца. Случается, что сила атомного взаимодействия иглы и образца может быль меньше при его приближении, чем при удалении. Лля типичных значений геометрических размеров иглы сила Ван-дер-Ваальса определяется как Р„=10 н ЛМ э е10 ' — 10 ~ Н, авила капиллярного притяжения Е'„„„, = 4х)( созО 1( 1 + г7 / (Э) м 1О ' Н, "де 7 — поверхностное натяжение пленки адсорбата, Π— контактный утол для зонда и ~братца,  — глубина погружения зонда в образец.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
