Материал: Диагностика наноматериалов и наноструктур. Акулинин С.А., Проскурина И.С

ре секции. При подаче противофазных напряжений на противоположные секции внешнего электрода (относительно внутреннего) происходит сокращение участка трубки в том месте, где направление поля совпадает с направлением поляризации, и удлинение там, где они направлены в противоположные стороны. Это приводит к изгибу трубки в соответствующем направлении. Таким образом осуществляется сканирование в плоскости X,Y. Изменение потенциала внутреннего электрода относительно всех внешних секций приводит к удлинению или сокращению трубки по оси Z.

Таким образом, можно реализовать трехкоординатный сканер на базе одной пьезотрубки. Реальные сканирующие элементы имеют часто более сложную конструкцию, однако принципы их работы остаются неизменными.

Широкое распространение получили также сканеры на основе биморфных пьзоэлементов. Биморф представляет собой две пластины пьезоэлектрика, склеенные между собой таким образом, что вектора поляризации в каждой из них направлены в противоположные стороны (рис. 3.5). Если подать напряжение на электроды биморфа, то одна из пластин будет расширяться, а другая сжиматься, что приведет к изгибу всего элемента. В реальных конструкциях биморфных элементов создается разность потенциалов между внутренним общим и внешними электродами так, чтобы в одном элементе поле совпадало с направлением вектора поляризации, а в другом было направлено противоположно.

Рис. 3.5. Устройство биморфного пьезоэлемента

66

Изгиб биморфа под действием электрических полей положен в основу работы биморфных пьезосканеров. Объединяя три биморфных элемента в одной конструкции, можно реализовать трипод на биморфных элементах (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Трехкоординатный сканер на трех биморфных элементах

3.3. Сканирующая туннельная микроскопия

Исторически первым в семействе зондовых микроскопов появился сканирующий туннельный микроскоп.

Как известно, полная энергия частицы Е представляет собой сумму потенциальной и кинетической энергии. Если потенциальная энергия в некоторой области принимает вид, а полная энергия Е<U0, то в этом случае говорят, что частица находится в области потенциального барьера. В классической механике частица с такой энергией не может преодолеть барьер и отражается от него. В квантовой механике существует

67

определенная вероятность прохождения частицы через барьер, то есть частица может «туннелировать» сквозь него. Если эта вероятность достаточно большая, тогда говорят, что барьер туннельно-прозрачный.

(3.3)

Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий зазор, между металлическим зондом и проводящим образцом, во внешнем электрическом поле (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер в туннельном микроскопе

В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояния в несколько ангстрем. При этом образуется туннель- но-прозрачный потенциальный барьер шириной ΔZ, высота которого определяется, в основном, значениями работы выхода электронов из материала зонда φP и образца φS. В рамках качественного рассмотрения барьер можно считать прямо-

68

угольным с эффективной высотой, равной средней работе выхода материалов:

(3.4)

В случае контакта двух металлов выражение для плотности туннельного тока,

(3.5)

где величина j0(V) считается не зависящей от изменения расстояния зонд-образец.

Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния позволяет осуществлять регулирование расстояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. СТМ представляет собой электромеханическую систему с отрицательной обратной связью. Система обратной связи (рис.3.8) поддерживает величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне (I0). Контроль величины туннельного тока, а, следовательно, и расстояния зонд-поверхность осуществляется посредством перемещения зонда вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента.

69

Рис. 3.8. Упрощенная схема организации обратной связи по туннельному токy

Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя методами. По методу постоянного туннельного тока (рис. 3.9 (а)), зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом, изменение напряжения на Z - электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца), записывается в память компьютера в виде функции Z = f(x,y), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности по методу постоянной высоты Z = const.

70