Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

поверхности постоянной электронной плотности ( (X, Y, Z) = const) являются почти плоскими: характерные вариации координаты Z по расчету составляют ~ 0,2 Å, что на порядок меньше наблюдаемых. В то же время для поверхностей (ЕF, X, Y, Z) = const вариации Z превышают 1 Å. Поэтому можно утверждать, что наблюдаемая в эксперименте картина есть прямое доказательство того, что туннельный ток определяется плотностью состояний на уровне Ферми.

Рис. 8.27. Применение СТМ при изучении графита: а – СТМ – изображение (0001) поверхности монокри-

сталлического графита. Перепад уровней от темного (впадины) до светлого (выступы) ~ 2 Å;

б – схема наложенных друг на друга гексагональных сеток графита, показывающих, что под поверхностными атомами

А есть атомы А1, а под атомами В их нет

Другое необычное обстоятельство: измеренная по перемещению острия модуляция рельефа очень велика. Как правило, она составляет 2÷4 Å и в зависимости от условий эксперимента может достигать 8-10 Å. Последняя величина значительно превышает межплоскостное расстояние в графите (3.4 Å) и, следовательно, не отвечает реальной модуляции Z - координа-

436

ты поверхности (ЕF, X, Y, Z) =const. Было сделано предположение, что эффект обусловлен силами Ван-дер-Ваальса, действующими между острием и образцом. При перемещении острия по контуру (ЕF, X, Y, Z) = const, чему отвечает постоянная тока, вследствие изменения координаты Z, кончик острия попадает в области с различными значениями (Z), и сила, действующая на образец, изменяется. Вместе с ней изменяется макроскопическая деформация образца – поверхность «уходит» от острия или «приближается» к нему. Чтобы обеспечить необходимый зазор, острию приходится перемещаться на большие расстояния (по оси Z). Расчеты показали, что рост амплитуды осцилляции по оси Z до 10 Å вполне объясним взаимодействием сил Ван-дер-Ваальсовского типа с силой ~ 10-9 Н, что близко к значениям, полученным из эксперимента (10-8 – 10-9 Н). Осмысление этих фактов привело к созданию сканирующего микроскопа на атомных силах (СМАС), пригодного, как мы видели выше, для изучения непроводящих твердых тел.

8.3.2. Нанометрия с помощью СТМ

Исследование поверхности с нанометровым разрешением необходимо при решении многих научных и технических задач. Это, прежде всего, изучение морфологии тонких пленок и процессов их роста, определение шероховатости поверхности, которая оказывает очень большое влияние на физические свойства, например, рассеяние электронов проводимости, изучение процессов травления, диагностика многослойных структур, субмикронных элементов и т.д.

Приведем некоторые примеры.

Исследование пленок ниобия показало, что при их осаждении на подогретую до 850 0С подложку, они получаются более шероховатыми (средний квадрат отклонения от плоскости на площадке 0,3 х 0,3 мкм2 равен 2÷4 нм), чем при осажде-

437

нии при комнатной температуре (отклонение ~ 1 нм на той же площадке).

Исследование шероховатости поверхности интересно с разных точек зрения. Например, влияние шероховатости на рассеяние электронов в МОП-структурах при низких температурах. Традиционно считалось, что основную роль играет рассеяние на шероховатостях атомного масштаба. Теория для этого случая предсказывала зависимость подвижности электроновот концентрации электронов двумерного слоя n в виде ~ n-2. Однако в наиболее современных образцах МОП-структур Si была обнаружена зависимость ~ n-1. Поэтому была измерена шероховатость границы Si – SiO2 , для чего на поверхности был удален затворный электрод (Al) и плавиковой кислотой стравлен слой SiO2. Вскрытая таким образом граница имела ярко выраженную шероховатость масштаба 30 -100 нм в плоскости образца. Поскольку длина волны де-Бройля электронов проводимости = 2 /k = (2 /n)1/2, (где k – волновое число) имеет тот же масштаб, то можно ожидать, что именно такие крупномасштабные неровности играют доминирующую роль и обеспечивают выполнение зависимости ~ n-1.

Было исследовано влияние ионного травления на поверхности Si. Установлено, что среднеквадратичное отклонение от плоскости возрастает с 1,5 до 4 Å на площадке 30 х 30 нм2. С помощью СТМ было установлено, что для металлов существуют такие ориентации кристаллографических плоскостей, от которых электроны отражаются зеркально.

СТМ – литография. Большая часть попыток воздействия на поверхность образца при помощи СТМ была выполнена с мягкими металлами (золото, серебро). Процедура сводилась к тому, что осуществлялся механический контакт острия с поверхностью. Это достигалось увеличением тока при неизменном напряжении острие-поверхность. Острие как бы вдавливалось в образец. При этом удалось создать впадины и выступы с характерным размером 5 – 10 нм в плоскости и

438

примерно 1 нм по высоте. Полученные образования были не стабильны во времени и залечивались в течение нескольких часов.

Похожие результаты получаются и в том случае, если при фиксированном туннельном токе ~ 1 нА увеличивается напряжение на туннельном контакте от долей до нескольких вольт. По-видимому, в этом случае достигаются условия для пластического течения материала образца под действием элек-

тростатического механического напряжения Е2/4, достигающего по оценкам ~ 10-10 дин/см2.

Аналогичным образом на поверхности германия удалось создать выступы высотой ~ 1 Å и диаметром 8 Å. Размеры этих областей сравнимы с радиусом экранирования заряженной примеси, так что не исключено в этом случае осуществление переноса единственного атома с острия на поверхность.

Бугорки и линии с характерными размерами порядка 2 - 30 нм на поверхности металлического стекла Rh25Zr75 были получены при туннельном токе 300 нА и напряжении на острие - образец 2 В. Авторы, получившие эти результаты, считают, что образование бугорков связано с выделением тепла в области острия, плавлением сплава и последующего вытягивания его в конус под действием электрического поля. Однако оценки показывают, что температура в области бугорков должна увеличиваться не более чем на 10 К, т.е. это ничтожно малая величина по сравнению с температурой плавления этого сплава (Тs более 2000 К). Возможно, что при этом происходит течение материала под воздействием электростатических сил. Впрочем, при токе 300 нА происходит переход от туннельного контакта к обычному механическому.

СТМ может быть использована для изготовления рисунка путем механического удаления тонкого диэлектрического слоя (покрытия). Таким образом, были нарисованы линии шириной 0,36 мкм в слое CaF2 толщиной 20 нм, нанесенном на кремний.

439

Прорабатывается вопрос о сборке с помощью СТМ квантовых полупроводниковых точек-кластеров, содержащих 100 – 200 атомов, которые можно использовать для создания одноэлектронных транзисторов.

Известно также, что однослойные углеродные нанотрубки резко меняют свою проводимость, если в структуре гексагональной сетки графита, из которой «свернута» трубка, создать дефект пятиугольник-семиугольник, т.е. получить гетероструктуру. На сегодняшний день эту работу можно выполнить только с помощью СТМ. Удалить или вставить в структуру нужный атом можно только с помощью острия, используемого в СТМ.

8.3.3. Наблюдение адсорбированных атомов

СТМ дает возможность детально исследовать характер электронных свойств чистых поверхностей, изменение электронных свойств при адсорбции и катализе, а также позволяет определить характер этих приповерхностных химических реакций с выяснением роли электронов в образовании химических связей и формировании поверхностных структур.

Адсорбция кислорода на поверхности (110) GaAs

На поверхности (110) GaAs n-типа (легированного ионами Si до 1018 см-3) располагался атом кислорода. Обнаружена сильная зависимость адсорбированного кислорода от напряжения Vs, приложенного к образцу и особенно знака Vs. При отрицательных напряжениях, приложенных к образцу, атомы кислорода видны в виде выступов, а при положительных – в виде провалов (см. рис. 8.28). Такое различие связано с тем, что туннельный ток при данном положении зондирующего острия туннельного микроскопа зависит как от рельефа поверхностей, так и от энергетической структуры локальной плотности состояний вдоль образца. Энергетическая зависимость локальной плотности состояний на поверхности исследуемого образца определяет, при каких напряжениях Vs появится изображение адсорбированных атомов тех или иных элементов.

440