Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

Кислород имеет 2р-состояния, которые лежат ниже ЕF для GaAs. В результате этого в полупроводниках n-типа адсорбированный атом кислорода имеет отрицательный заряд. Возникающий на поверхности отрицательный заряд приводит к изгибу зон вблизи поверхности и, непосредственно над уровнем Ферми появляется щель в спектре плотности состояний. Можно было думать о том, что поперечный размер области, в которой существенен изгиб зон, весьма мал и составляет величину порядка электронного радиуса 2р-оболочки кислорода.

Рис. 8.28. СТМ изображение адсорбированного атома кислорода на поверхности GaAs n-типа, полученное при различ-

ных напряжениях на образце

На самом деле, область, где важен изгиб зон, определяется характерным радиусом действия потенциала, создаваемого отрицательным зарядом, сосредоточенным около адсорби-

441

рованного атома кислорода, т.е. длиной дебаевского экранирования:

где Фm(EF/kT) – фермиевский интеграл порядка m. Отсюда для концентрации Si ~ 1018 см-3 LD ~ 56 Å. Об этом свидетельствуют изображения атомов кислорода, полученные с помощью СТМ и имеющие характерный размер ~ 50 Å.

Иная ситуация, если мы имеем GaAs p-типа. В этом случае адсорбированный кислород электронейтрален, поэтому изгиб зон отсутствует. В этом случае адсорбированные атомы кислорода существуют в виде выступов. Поперечный размер атомов кислорода, равный 5 – 10 Å, указывает на отсутствие дебаевского экранирования. Этот простой пример показывает, какую важную роль играет локальная плотность состояний при исследовании адсорбции методом СТМ.

8.3.4. Реконструируемые поверхности

Благодаря изобретению СТМ стало возможным изучать так называемую реконструируемую поверхность Si (111) – (7x7). Как эта поверхность образуется? После того, как кристалл Si выращен или разрезан, поверхностные атомы кремния перестраиваются (реконструируются) и их пространственное расположение отличается от того, которое они занимали в объеме кристалла. Реконструкция поверхности Si давно привлекала как теоретиков, так и экспериментаторов. Однако построенные теоретиками модели только недавно подтверждены экспериментально благодаря развитию метода СТМ.

Элементарная ячейка Si (111)–(7x7) достаточно сложна и содержит 102 атома. Реконструируемая поверхность Si уст-

442

роена следующим образом. (На рис. 8.29 представлена модель, подтвержденная экспериментом).

На верхнем слое элементарной ячейки имеется 12 адатомов, каждый из которых связан с тремя атомами первого поверхностного слоя (1х1), которые в свою очередь образуют связь с тремя атомами нижележащего димерного слоя. В результате атомы имеют одну «болтающуюся» связь (dangling bond), а непосредственно связанные с ним атомы поверхностного слоя не имеют «болтающихся» связей. «Болтающиеся» связи существуют также на 6 атомах первого поверхностного слоя (rest – атомы), не связанных непосредственно с адатомами. В углах элементарной ячейки (7х7) отсутствуют атомы первого поверхностного слоя. При этом образуется ямка с «болтающейся» связью (одна на элементарную ячейку). Имеются также димерные цепи по бокам элементарной ячейки и вдоль малой диагонали. Таким образом, в каждой элементарной ячейке реконструированной поверхности Si (111)–(7x7) имеется 19 электронов, образующих «болтающиеся» связи, которые создаются 12 атомами, 6 rest-атомами и одной угловой ямкой. В результате экспериментов с помощью СТМ на поверхности Si (111)–(7x7) было показано, что различные атомы реконструированной поверхности не являются химически эквивалентными.

Изучение топографической структуры поверхности Si (111)–(7x7) после реакции с NH3 показало, что химические связи в первую очередь образуются за счет «болтающихся» связей, а не за счет разрыва валентных связей Si – Si. Более реакционно способны rest-атомы. Непрореагировавших rest-атомов почти нет. Дело в том, что «болтающиеся» электроны на атомах значительно более локализованы, чем rest-атомы, вследствие сильного взаимодействия с атомами второго поверхностного слоя, лежащими непосредственно под атомами, поэтому реакционная способность их меньше.

443

4) одновременное изучение с субнанометровым пространственным разрешением локальных свойств клеточной стенки, в том числе жесткости, пластичности и адгезивности.

В науке о биологических клетках – цитологии – ключевую роль играет прокариотическая микробная клетка – кишечная палочка или эшхерия (Escherichia). С помощью кишечной палочки изучены основные процессы, происходящие с клетками: рост, деление, деградация, бактериолиз и др.

Эшхерия или кишечная палочка – граммотрицательная микробная клетка семейства кишечных (рис. 8.30), имеет слегка вытянутую форму палочки с закругленными концами (0,4х0,8х1-3 мкм). В естественных условиях она подвижна, сбраживает глюкозу, лактозу и другие углеводы. Эшхерии – одни из наиболее типичных представителей микрофлоры кишечника млекопитающих. Культура эшхерии К12 используется в генной инженерии в качестве штаммов-носителей при передаче клонированных генов, контролирующих синтез интерферона, инсулина и ряда важных ферментов.

Для штамма К12 характерно наличие на поверхности бактериальной стенки длинных отростков-жгутиков. Жгутик представляет собой относительно жесткую спираль, состоящую только из белка – фагеллина. Кишечная палочка – подвижная бактерия, перемещение которой осуществляется с помощью жгутиков. Поверхность клеток имеет структурированную поверхность с периодом 50 нм и характерную для всех наблюдаемых штаммов.

На рис. 8. 31 представлено изображение стебелькового растения – обыкновенного укропа. Структурную основу стебелька составляют продольные и поперечные волокна. Продольные волокна имеют диаметр в несколько микрон. Атомносиловой микроскоп позволил увидеть структуру поперечных микроволокон укропа – фибрил, диаметр которых составляет 10-30 нм. Снимок сделан на свежем срезе стебелька. Этот экспериментальный факт показывает неограниченные возможнос ти атомно-силового микроскопа в изучении биологических

445