Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Квантовая физика (1185135), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Как известно, для того, чтобы вырвать электрон из металла, ему нужно сообщить дополнительную энергию, равную работе выхода. Это означает, что электрон в металле находится в потенциальной яме. Если вблизи поверхности металла имеется электрическое поле напряженностью с„способствующее выходу электронов из металла, то потенциальная энергия электрона вблизи поверхности металла может быть представлена в виде (4.54) У(х) = Уо — ебх, где Уо — глубина потенциальной ямы. Таким образом, на границе металл-вакуум возникает потенциальный барьер треугольной формы (рис. 4.10).
Туннелирование электронов через этот барьер и объясняет явление холодной или, как ее еще называют, автоэлекгронной, эмиссии — выход электронов из металла даже при низких температурах. детальный анализ и расчет тока холодной эмиссии 207 электронов, а также описание ее практического применения содержится в 6.6. Радиоактивный альфараспад. Еще одним важным примером прохождения частиц через потенциальный барьер является ц-распад радиоактивных ядер. Он заключается в самопроизвольном испускании радиоактивным ядром а-частицы, т.
е. ядра гелия, состоящего нз двух протонов и двух нейтронов. Ядро, испускающее а-частицу, называется материнским ядром, после испускания оно превращается в дочернее ядро. Потенциальная энергия ц-частицы в поле дочернего ядра представлена на рис. 4.11. На больших расстояниях г между а-частицей н ядром действуют силы кулоновского отталкивания и потенциальная энергия частицы 0 Рис. 4.10.
Потенциальный барьер для электронов на границе металл — вакуум при папнчнн электрического поля 1 Уе 2е У(г) =— 4нво Рнс. 4.11. Потенциальный барьер а-частнцы в поле ядра 208 где Уе — заряд дочернего ядра; 2е— заряд а-частицы. Кулоновские силы между а-частицей и дочерним ядром действуют вплоть до расстояний, сравнимых с размерами ядра го и составляющих по порядку величины 10 ...10 м. При г < го между а-частицей и ядром действуют более мощные силы — силы ядерного притяжения, которые значительно уменьшают потенциальную энергию частицы.
Таким образом, внутри ядра а-частица находится в потенциальной яме, выйти из которой она может только за счет туннельного эффекта. Результаты расчета вероятности туннелирования не очень сильно зависят от формы ямы, так что яму можно считать прямоугольной и полагать, что ее ширина определяется радиусом ядра го. результаты исследований показывают, что высота потенциального барьера при а-распаде составляет 20...30 МэВ, тогда как энергия испущенных а-частиц лежит в пределах 5...6 МэВ, т.
е. оказывается существенно меньше высоты барьера. Это означает, что а-частицы могут испускаться ядрами только за счет туннельного эффекта. Как будет показано в 7.2, закон радиоактивного распада, определяющий изменение со временем числа нераспавшихся ядер Ф(г), имеет вид (4.55) м(г) = Мое где Мо — число нераспавшнхся ядер в начальный момент времени г=0; Л вЂ” постоянная распада, характеризующая скорость распада ядер.
Найдем связь между постоянной распада Л и коэффициентом прохождения 27 а-частицы через потенциальный барьер. Пусть радиус ядра равен го, а скорость а-частицы в ядре равна о. Тогда число ударов а-частнцы о стенки потенциального барьера в едие ницу времени равно —. Так как вероятность туннелнрования при 2го одном ударе о стенку равна )7, а общее число ядер равно М(~), то число ядер НИ, в которых произойдет непускание а-частиц за время от момента г до момента г+ еЫ, составит ЫМ= — ИЯ вЂ” 1Эй. Ю 2го Знак минус в этом соотношении взят потому, что еИ имеет смысл приращения числа нераспавшнхся ядер, а их число на самом деле убывает. С другой стороны, дифференцируя (4.55) по времени, получаем 4Ф = -ЛУ(г)й. Сравнивая эти два соотношения, находим, что Л= — В, и 2го т е. постоянная распада прямо пропорциональна коэффициенту прохождения О а-частицы через потенциальный барьер.
209 Сканирующий туинсльиый микроскоп. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) был создан в 1982 г. сотрудниками исследовательского отдела фирмы 1ВМ Г. Биннингом и Х. Ререром. Благодаря ему были открыты уникальные возможности научных и прикладных исследовании в области нанотехннки. Он явился первым техническим устройством, с помощью которого была осуществлена наглядная визуализация атомов и молекул.
За создание СТМ Биннинг и Ререр в 1986 г. были удостоены Нобелевской премии по физике. Принцип работы СТМ заключается в следующем: к поверхности проводящего образца на характерное межатом- Г нос расстояние ~, составляющее доли нанометра, подводится очень тонкое металлическое острие (игла). При приложении между образцом и иглой разности потенциалов У вЂ” 0,1...1,0 В в Р„ 4 12 11 „„„„„„, „,„ цепи (рис. 4.12) появляется электричесхема СТМ ский ток, обусловленный туннелированием электронов через зазор между ними. Сила туннельного тока составляет Е„-1...10 нА, т. е.
имеет значение, которое вполне можно измерить экспериментально. Поскольку вероятность туннелирования через потенциальный барьер экспоненциально зависит от ширины барьера (см. (4.51)), то сила туннельного тока при увеличении зазора г между иглой н поверхностью образца убывает по экспоненте и уменьшается примерно на порядок при увеличении я на каждые 0,1 нм. Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния обеспечивает чрезвычайно высокую разрешающую способность СТМ. Вдоль оси я, перпендикулярной поверхности образца, разрешающая способность СТМ составляет Ь~ -10 нм, а вдоль осей х и у, -з параллельных поверхности образца, Лх, Лу — 10 нм. Перемещая иглу СТМ вдоль поверхности образца, т. е.
осуществляя сканирование поверхности, можно получать информацию о рельефе поверхности с атомным пространственным разрешением. Существуют два варианта режима работы СТМ: режим постоянной высоты и режим постоянного тока. При работе в режиме 210 постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над исследуемой поверхностью (рис. 4.13, а). Туннельный ток при этом изменяется, и по этим изменениям легко может быть определен рельеф поверхности образца. При работе в режиме постоянного тока (рис. 4.13, б ) используется система обратной связи, которая поддерживает постоянным ток туннелнрования за счет перемещения острия иглы в вертикальном направлении.
В этом случае информация о рельефе поверхности получается на основании данных о перемещении иглы. Игла Пуп острия иглы Игла Путь острия иглы х б Рис. 4.13. Режимы работы СТМ: а — режим постоянной высоты; б — режим постоянного тока Общая схема СТМ приведена на рис. 4.14. С помощью системы грубого подвода и позиционирования иглу СТМ подводят к исследуемой поверхности на расстояние примерно 0,1 мкм. Дальнейшее перемещение иглы и исследование поверхности проводится с помощью специального сканирующего устройства.
Это устройство изготовлено из пьезоэлектрика, т. е. вещества, способного изменять свои линейные размеры при приложении к нему электрического поля, и позволяет перемещать иглу СТМ над поверхностью образца с очень высокой точностью. 211 Рис. 4.14. Общая схема СТМ Одним из наиболее важных узлов СТМ является игла (зонд), в качестве которой используется тонкая проволока из вольфрама, ванадия или другого проводящего материала. Для улучшения характеристик кончика иглы его подвергают злектрохимическому травлению. Эксперименты показывают, что травление кончика иглы радиусом <0,2 мкм практически обеспечивает разрешающую способность СТМ на атомном уровне. Управление движением сканирующего устройства и контроль за работой системы обратной связи осуществляется компъютером.
С его помощью проводится запись резулътатов измерения, их обработка и визуализация исследуемой поверхности. Типичные результаты исследований, выполненные с помощью СТМ, приведены на рис. 4.15, на котором представлены изображения молекул Сао, адсорбированных на поверхности кристалла меди. 212 Важно отметить, что СТМ в отличие от других электронных микроскопов не содержит линз, и, следовательно, полУчаемое в нем изобРа- 2пм 2нм жение не искажается из-за аберраций.
Кроме того, энер1им 1нм гия электронов, формирую- 0 щнх изображение в СТМ, не превышает нескольких электрон-вольт, т. е. оказывается меньше характерной энергии химической связи, что обеспечивает возможность неразрушающего контроля исследуемого образца. Напомним, что в электронной микроскопии высокого разрешения (см. 2.4) энергия электронов достигает сотен килоэлектрон-вольт, что приводит к образованию радиационных дефектов. В настоящее время перспективны следующие области применения СТМ: 1.
Исследование физических и химических свойств поверхности с разрешающей способностью на атомном уровне. 2. Нанометрия — исследование параметров шероховатости поверхности, процессов зародышеобразования при росте пленок, процессов химического или ионного травления, осаждения и т. д. 3. Нанотехнология — исследование и изготовление приборных структур нанометрового размера. 4. Исследование макромолекул, вирусов и других биологических структур. Подводя итог описанию СТМ, следует отмепггь, что его возможности выходят далеко за рамки чисто микроскопических задач.
С его помощью, например, можно заставить атомы перемещаться вдоль поверхности и собирать из них искусственные структуры нанометровых размеров. Так, в частности, с помощью острия сканирующего туннельного микроскопа из 35 атомов инертного газа ксенона, "рассыпанных" на поверхности никеля, была собрана аббревиатура фирмы 1ВМ (рис. 4.16). Рис. 4.16. Первые буквы, "набран- Такие возможности СТМ делают ные" атомами его перспективным инструментом Рис. 4.15. Изображения молекул Сао, полученные е помощью СТМ 213 при разработке и создании нанотехники будущего поколения, например квантового компьютера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
