Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

стым способом уменьшения термодрейфа положения зонда по оси Z является введение в конструкцию СЗМ компенсирующих элементов из того же материала и с теми же характерными размерами, что и основные элементы конструкции. При изменении температуры такой конструкции смещение зонда в направлении Z будет минимальным. Для стабилизации положения зонда в плоскости X,Y измерительные головки микроскопов изготавливаются в виде аксиально-симметричных конструкций.

8.2.Методы сканирующей зондовой микроскопии

8.2.1.Сканирующая туннельная микроскопия

Исторически первым в семействе зондовых микроскопов появился сканирующий туннельный микроскоп. Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле.

Туннельный эффект связан с принципом неопределенности, который говорит о том, что у микрочастиц нет точных размеров или, говоря другими словами, нет определенной границы. Например, для атома, размеры которого определяются электронным облаком, не существует такой точной границы, чтобы можно сказать, что все электроны находятся внутри, а снаружи их нет. Но все же вблизи ядра застать электроны можно почти наверняка, а при удалении от ядра эта вероятность быстро падает примерно по закону

где r – расстояние от ядра, m = 9,108 10-30 кг – масса электрона, V – энергия его связи, обычно равная нескольким электрон-

416

Вольт (1 эВ = 1.6 10-19 Дж), = 1,05 10-34 Дж с – постоянная Планка.

Распределение электронов простирается не слишком далеко – при V = 10 эВ плотность электронов падает в 10 раз при удалении от центра на 1 Å (110-8 см). Фактически электрон сам по себе от атома никуда не уходит. Но если атом поместить в электрическое поле Е, то электрон может уйти от атома. Каким должно быть это поле нетрудно оценить. К энергии электрона при изменении его положения вдоль поля (координата х) добавляется величина еЕх. Поэтому, если электрон окажется на расстоянии от ядра больше, чем

то ему энергетически выгодно оторваться от атома, т.е. произойдет туннелирование через потенциальный барьер. Для реализации этого события необходимо, чтобы значение х0 было не очень велико. Характерный размер связан с показателем экспоненты в формуле (8.5) в виде

ную величину 108 – 109 В/см. Такие электрические поля можно создать в системе из двух электродов, один из которых – острая игла с радиусом закругления r. Если между этими электродами приложить напряжение u, E u/r, так что при r = 10-5 см, необходимое поле для туннелирования может быть получено при u = 103 B.

417

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 поддерживает величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне (I0), выбираемом оператором. Контроль величины туннельного тока, а следовательно, и расстояния зонд-поверхность осуществляется посредством перемещения зонда вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента.

Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя методами. По методу постоянного туннельного тока (рис. 8.15 (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.

Рис. 8.15. Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянного туннельного тока

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ

418

изображения поверхности по методу постоянной высоты Z = const. В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (рис. 8.16). Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени.

Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающий над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.

С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до атомарного, что

419

продемонстрировано многими исследовательскими группами на образцах из различных материалов.

Рис. 8.16. Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянного среднего расстояния и

реализации атомарного разрешения

В сканирующих туннельных микроскопах используются зонды нескольких типов. В первое время широкое распространение получили зонды, приготовленные из вольфрамовой проволоки методом электрохимического травления. Данная технология была хорошо известна и использовалась для приготовления эмиттеров для автоионных микроскопов. Процесс приготовления СТМ зондов по данной технологии выглядит

следующим образом. Заготовка из вольфрамовой проволоки укрепляется так, чтобы один из ее концов проходил сквозь проводящую диафрагму (Д) и погружался в водный раствор щелочи КОН. Контакт между диафрагмой и вольфрамовой проволокой осуществляется посредством капли КОН, расположенной в отверстии диафрагмы.

420