AtomLab_labwork_6-1 (829318)
Текст из файла
© www.phys.nsu.ruА.В. НартоваИсследование поверхности твердых тел методами туннельной и атомно-силовой спектроскопииОборудованиеСканирующий туннельный микроскоп СММ2000Т; предметный столик СТМ; предметныйстолик АСМ; АСМ - модуль; блок питания микроскопа; блок электроники микроскопа (встроен всистемный блок компьютера); персональный компьютер; система виброизоляции.Цель работыОсвоение сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) как метода исследования поверхноститвердых тел.Изучение принципа работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и атомно-силовогомикроскопа (АСМ).Исследование поверхности образца – тонкая пленка оксида алюминия на поверхностипроводящей подложки алюминийсодержащего сплава фекралой.Краткая теорияСканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одним из мощных современных методовисследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела 1, нашедшим широкоеприменение в различных областях науки и технологии.
Все методы СЗМ основаны на одномпринципе действия: острый зонд подводится к исследуемой поверхности на расстояние порядка 1 нм.В результате такого приближения между образцом и зондом устанавливается физическоевзаимодействие, силу которого можно измерить. Интенсивность измеряемого сигнала имеет обычносильную зависимость от расстояния «зонд – образец», что используется для контроля данногорасстояния 1, 2. Относительное перемещение зонда и образца (сканирование) реализуется спомощью пьезокерамического сканера, который изменяет размеры под воздействиемприкладываемого напряжения.
Основное отличие между различными разновидностями методов СЗМ(сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ), сканирующаяближнепольная оптическая микроскопия (БОМ), магнитно-силовая микроскопия (МСМ),ближнепольная акустическая микроскопия (БАМ) и т.д.) лежит в типе взаимодействия,используемого для контроля расстояния «зонд – образец». Несмотря на то, что уже сейчас количествовариантов СЗМ достаточно многочисленно, оно продолжает расти, что позволяет получатьдополнительную информацию, не только топографическую, но и о поверхностных свойствахобразцов. Тем не менее, наибольшее распространение получили методы сканирующей туннельноймикроскопии и атомно-силовой микроскопии 2, 3.Метод СТМ является основоположником всего семейства зондовых методов. Первыйсканирующий туннельный микроскоп был создан в 1981 году Гердом Биннигом1 и ГенрихомРорером2 1, 3 - 5.
Изначально метод СТМ создавался и развивался как метод, позволяющий1Герд Карл Бинниг родился 20.07.1947 г. во Франкфурте-на-Майне, получил докторскую степень по физикеза работу по сверхпроводимости во Франкфуртском университете в 1978 г. Сразу же после получения степенистал научным сотрудником исследовательской лаборатории в корпорации «Интернэшнл бизнес мэшинс» (IBM)в Цюрихе, Швейцария. Здесь он стал участвовать в исследованиях поверхности материалов.
После встречи с Г.Рорером разработал совместно с ним СТМ.2Генрих Рорер родился 06.06.1933 г. в Буксе, Швейцария, после окончания школы поступил в Высшуютехническую школу в Цюрихе на физическое отделение. Среди его преподавателей были Вольфганг Паули иПауль Шерер. В 1955 г.
Рорер начинает работать над диссертацией на кафедре Йоргена Ольсена по темесверхпроводимости. В 1963 г. Рорер перешёл в исследовательскую лабораторию IBM в Рюшликоне, где онработал над эффектом Кондо и после встречи с Г. Биннигом разработал совместно с ним СТМ.Бинниг и Рорер разделили в 1986 г. половину Нобелевской премии по физике «за изобретение сканирующеготуннелирующего микроскопа». Другую половину премии получил Эрнст Руска за работу над электронныммикроскопом. За свою работу исследователи получили и другие награды.
В 1984 г. они разделили премиюХьюлетта-Паккарда Европейского физического общества и международную научную премию короля Фейсала335© www.phys.nsu.ruисследовать топографию поверхности металлов с высоким (вплоть до атомарного) разрешением всверхвысоком вакууме. Позже метод был применен для исследования других материалов, таких как:полупроводники, тонкие непроводящие пленки или биологические молекулы в различных условиях,как-то: вакуум, воздух или жидкость 2, 6.Физические основы сканирующей туннельной микроскопииПринцип действия СТМ основан на явлении электронного туннелирования – прохожденияэлектроном потенциального барьера, образованного разрывом электрической цепи – небольшимпромежутком между зондом и поверхностью исследуемого образца.
Если между зондом (иглой) иобразцом прикладывается небольшое электрическое напряжение (Ut), через промежуток порядка 1нм начинают происходить туннельные переходы электронов, т.е. начинается протекание такназываемого «туннельного тока» (It) 1, 2, 3, 5 - 7.Упрощенная формула для туннельного тока (случай одномерного потенциального барьера) 4,5, 7:It Ut exp(-ad1/2) Ut exp(-bd),где It – туннельный ток; Ut – прикладываемое напряжение; d – величина туннельного промежутка(расстояние между иглой и поверхностью образца); - средняя высота потенциального барьерамежду двумя электродами; а, b - константы.
Таким образом, в простейшем случае туннельный токэкспоненциально зависит от ширины и высоты барьера (соответственно d туннельного промежутка, атакже от работы выхода материалов образца и иглы). Эта экспоненциальная зависимостьобусловливает высокую разрешающую способность СТМ, прежде всего, по высоте, и делаетвозможным достижение атомарного разрешения 1, 4.Подобная модель одномерного туннелирования, являясь упрощенным исходнымприближением, очень полезна для качественного понимания природы получаемого СТМ изображения.
Попытки создания теории трехмерного туннелирования неизбежно наталкиваются навычислительные трудности 4. Выражение для туннельного тока при условии слабой связи междуэлектронными состояниями на поверхности иглы и образца можно записать в виде 4, 5:It s(E + eUt)t(E)|M(E)|2[(E) - (E + eUt)] dE,(1)где Е – энергия данного электронного состояния, М – матричный элемент туннельных переходов;(E) - функция Ферми; (E) - функция плотности электронных состояний в образце (s) и игле (t); Ut туннельное напряжение.При малом напряжении и в предположении, что острие иглы имеет форму полусферы с центром вточке r, а волновая функция, описывающая электронную структуру поверхности, имеет вид атомнойфункции s-типа, формулу (1) можно упростить 4, 5:It Uts(r, EF)t(EF),(2)где s(r, EF), t(EF) – плотности электронных состояний на уровне Ферми в образце и иглесоответственно.При положительном напряжении, приложенном к образцу, электроны туннелируются иззаполненных состояний зоны проводимости иглы на свободные состояния зоны проводимостиобразца.
При отрицательном напряжении электроны туннелируются из образца в зонд 1.Из выражения (2) видно, что в топографическом режиме (It = const) z-перемещение иглы СТМ,для которой при сканировании t(x, y) = const, происходит по контуру постоянной локальнойплотности электронных состояний на поверхности образца. Таким образом, данные, полученные спомощью СТМ, отражают не столько геометрическую топографию поверхности, сколько ееэлектронную структуру, зависящую от расположения атомов 4.В случае использования низкого разрешения СТМ - изображение может рассматриваться какотображение поверхностной топографии образца. При больших полях сканирования (микроны)топографические эффекты обычно доминируют над электронными, поэтому интерпретацияособенностей изображения достаточно однозначна.
По мере усиления увеличения и приближения катомарному разрешению топографические и электронные эффекты смешиваются, и интерпретациянаблюдаемых особенностей становится более сложной задачей 2.и правительства Саудовской Аравии за усилия по созданию сканирующего туннелирующего микроскопа.Бинниг также награжден Физической премией Германского физического общества (1982 г.).336© www.phys.nsu.ruСканирующая туннельная спектроскопияОбычное СТМ - изображение содержит «свертку» информации как о геометрии (топографии)поверхности, так и о ее электронных свойствах. Более полные сведения об электронныххарактеристиках поверхности можно получить из данных сканирующей туннельной спектроскопии(СТС) 5.В случае малого потенциала иглы получены выражения для дифференциальной проводимостиобщего вида 4, 5:dIt/dUt s(r, Ut)T(Ut),где T(Ut) - прозрачность барьера при туннельном напряжении Ut.Регистрируя зависимость туннельного тока от напряжения, можно определять плотностьэлектронных состояний выше и ниже уровня Ферми, в частности, получать прямую информацию оположении запрещенной зоны в полупроводниках.
Если зафиксировать положение иглыотносительно образца над выбранной областью поверхности (при этом отключается цепь обратнойсвязи), то, разворачивая потенциал, прикладываемый к системе «игла – образец», и регистрируясинхронно ток, протекающий через туннельный контакт, можно получить зависимость туннельноготока от этого потенциала, т.е. вольт – амперную характеристику (ВАХ) 1, 4, 5. В ходе записи ВАХна электрод сканера подается потенциал, равный потенциалу непосредственно перед отключениемобратной связи 1. Если подобное измерение осуществляется в каждой точке сканирования поповерхности, что дает локальные зависимости It(Ut), то данную методику называют сканирующейтуннельной спектроскопией 1, 4, 5.Простейшим случаем СТС является запись ВАХ поверхности металлического образца 1. Прималых напряжениях зависимость туннельного тока линейна (Рисунок 1), и проводимость туннельногоконтакта определяется, в основном, параметрами барьера.
Высота этого барьера задается, преждевсего, значением туннельного напряжения, зафиксированным на момент отключения обратной связиперед записью ВАХ, поскольку этим задается величина туннельного зазора. Чем выше это значение,тем дальше игла от образца, тем меньше наклон линейной зависимости тока от напряжения. Т.о.ширина туннельного промежутка выполняет функцию «эффективного» сопротивления. При оченьвысоких напряжениях, разворачиваемых для записи ВАХ, форма барьера будет сильно изменяться. Врезультате, ВАХ туннельного контакта «металл – металл» нелинейна и, как правило, симметрична.Полупроводники имеют более сложную структуру энергетического спектра электронов.
Сильнаянелинейность ВАХ туннельного контакта «металлическая игла – полупроводник» определяетсяналичием запрещенной зоны и примесных уровней в спектре. Существенный вклад в туннельный токдают также поверхностные состояния и уровни энергии, связанные с адсорбированнымичужеродными атомами. Потому желательно проводить исследования в условиях сверхвысокоговакуума. Неконтролируемое присутствие на поверхности адсорбированных атомов сильно усложняетинтерпретацию экспериментальных спектров. Кроме того, тепловые возбуждения приводят кзначительному уширению дискретных уровней энергии, соответствующих локализованнымсостояниям, а также сильно размывают положение краев зоны проводимости и валентной зоны 1.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
