Сканирующий туннельный микроскоп. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Сканирующий туннельный микроскоп - прибор для изучения поверхности твёрдых электропроводящих тел, основанный на сканировании металлич. острия над поверхностью образца на расстоянии

. Такое расстояние достаточно мало для туннелирования электронов через контакт, т.е. для протекания туннельного тока j 1-10 нА между остриём и образцом, при разности потенциалов V между ними от единиц мВ до неск. В (в зависимости от материалов электродов и целей). При этом цепь обратной связи поддерживает значение j постоянным, соответственно изменяя z. Синхронная со сканированием запись сигнала обратной связи V_z (на двухкоординатном самописце - в виде кривых, на экране телевиз. трубки - в виде карты и т. п.) представляет собой увеличенную запись профиля поверхности постоянного туннельного тока j(x, у). Она совпадает с геом. поверхностью образца S(x, у), если высота потенц. барьера (работа выхода)электронов

одинакова по всей поверхности S, поскольку

, где

. В ином случае распределение

может быть получено путём модуляции расстояния на частоте, более высокой, чем полоса пропускания цепи обратной связи и измерения возникающей на этой частоте модуляции j, амплитуда к-рой пропорциональна

Т. о., в результате сканирования острия над участком исследуемой поверхности получаются одновременно её профиль S(x, у)и распределение работы выхода

С. т. м. изобретён Г. Биннингом и Г. Рорером в 1982 [1]. Увеличение его определяется отношением размеров записи кадра (на бумаге или экране трубки) к размерам сканируемого участка поверхности, последние могут составить от единиц

до десятков мкм. Разрешающая способность микроскопа по х, у достигает ~ 1

, а по z порядка 0,01

. Прибор может работать в вакууме, газе или жидкости, поскольку z имеет величину порядка межатомных расстояний в жидкости. Выбор среды определяется конкретной задачей, прежде всего условиями подготовки и поддержания чистоты (или сохранности) образца. Малая величина l и низкая энергия туннелирующих электронов исключают опасность повреждения образца током. Длительность записи одного кадра от ~ 0,03 с до 30 мин.

Рис. 1. Схема устройства туннельного микроскопа: V_z - напряжение обратной связи, регулирующее величину z: пунктир - траектория острия, записываемая регистрирующей системой при движении острия над линией L;- сглаженная запись ступеньки; В - запись участка С с пониженной работой выхода; - модуляция r с целью определения работы выхода.

Схема устройства С. т. м. приведена на рис. 1. Пьезоэлектрич. пластины Р_х, Р_у, Р_z свободными концами (вне рис. 1) закреплены на станине прибора и при приложении к ним электрич. напряжения двигают остриё вдоль соответствующей координаты за счёт собств. деформации (пьезодвигатели). Устройства сближения образца и острия до малого расстояния, перекрываемого пьезодвигателем, осуществлены в разл. вариантах [2]. Блок-схема туннельного микроскопа приведена на рис. 2.

Атомная структура поверхности свежего скола монокристалла графита (долго остающегося чистым на воздухе) часто служит в качестве тест-объекта (рис. 3). Это фотография экрана телевиз. трубки, представляющая собой результат сканирования образца, при к-ром сигнал обратной связи V_z модулирует яркость пятна, перемещающегося по кадру. Светлые пятна - атомы С, выступающие над ср. плоскостью поверхности, тёмные места - углубления между ними.

Рис. 2. Блок-схема туннельного микроскопа: У - усилитель туннельного тока; ОС - схема обратной связи; Д - пьезодвигатель острия; РО - устройство регистрации и обработки данных.

Рис. 3. Атомная структура поверхности ориентированного пиролитического монокристалла графита.

Одно из первых исследований - изучение реконструиров. структуры поверхности (111) монокристалла Si: на рис. 4 границы элементарной ячейки (7 X 7) показаны ромбом, одна сторона к-рого лежит на ступени высотой в один слой атомов [3, 4]. При меньшей разрешающей способности (~10

) можно изучать состояние поверхности образца на участках большего размера; на рис. 5 показан записанный на двухкоординатном самописце профиль обработанной поверхности (100) кристалла Si (применённого в МДП-структуре для исследования квантового Холла эффекта [5]).

Рис. 4. Атомная структура реконструированной поверхности (111) монокристалла Si.

Рис. 5. Поверхность (100) монокристалла Si, обработанная по высшему классу точности.

Успех С. т. м. вызвал появление аналогичных методов исследования поверхностей посредством электрич., световых и др. датчиков. Среди них наиб. интересен сканирующий атомно-силовой микроскоп, основанный на измерении сил, действующих на микроскопия, алмазное остриё, находящееся на расстоянии ~ 3-110

от поверхности образца (к-рый может быть диэлектриком); остриё укрепляется на чувствит. пружине, деформации к-рой измеряются при помощи С. т.м. [2].

Наиб. важные области применения С. т. м.: исследования атомного строения поверхностей, металлических, сверхпроводящих и полупроводниковых структур, явлений адсорбции, и поверхностных хим. процессов, структуры молекул и биол. объектов, технол. исследования в области микро- и субмикроэлектроники, плёночных покрытий и обработки поверхностей; применение С. т. м. как инструмента обработки поверхностей в субмикроскопич. масштабе и т. д.

Литература по сканирующим туннельным микроскопам

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.