Материал: Корнилов В.М., Галиев А.Ф.. Основы сканирующей зондовой микроскопии

использовании какой-либо опции программного обеспечения, необходимо щёлкнуть мышью на знак вопроса в меню программы и далее курсором, ставшим после этого по виду как знак вопроса, щёлкнуть на любом окне и любом параметре. При этом возникнет не только справка в виде относящейся именно к нужному окну одной из более чем 200 страниц гипертекста, но и примерный вид нужного окна, на котором при щелчке мыши выдаются объяснения любого параметра окна.

Порядок выполнения работы:

Изучение программы Scan Master

1.Запустите программу Scan Master.

2.В появившемся окне выберите пункт «File»- «Open 2D file»

3.Откройте файл «Тест.smm»

4.Постройте трехмерное изображение .

5.Измерьте размеры дефектов и шероховатость поверхности.

6.Примените к изображению один из видов фильтрации.

7.Сравните изображения до и после применения фильтрации.

Отчет должен содержать двухмерное и трехмерное изображения объекта; а также изображение, подвергнутое какому-либо виду фильтрации.

Контрольные вопросы

1.Какие виды СЗМ вы знаете?

2.В чем преимущество СЗМ по сравнению с другими видами микроскопии?

3.В чем недостатки СЗМ по сравнению с другими видами микроскопии?

4.Опишите процесс получения изображения в СЗМ.

5.Какие виды фильтраций применяются для улучшения изображений СЗМ?

6

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРЫ ПЛЁНОК МЕДИ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ

Цель работы

1)ознакомление с устройством и принципом работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ),

2)исследование поверхности медной пленки.

Оборудование: сканирующий зондовый мультимикроскоп СММ2000, оптический бинокулярный микроскоп МБС-10, персональный компьютер с программным обеспечением ScanMaster.

Образец представляет собой пленку меди, полученную методом термодиффузионного напыления в вакууме.

Теория метода:

В основу работы СТМ положено одно из необычных, с точки зрения классической физики, явлений - туннельный эффект. Понятие «туннельный эффект» появилось в 1928 г в связи с развитием квантовой физики. Этим понятием обозначают возможность элементарной частице, например, электрону, пройти через потенциальный барьер, когда барьер выше полной энергии частицы.

Туннельный эффект объясняет такие явления, как α-распад, синтез тяжёлых ядер, связывание молекулы гемоглобина угарным газом и т. д.

По своей природе электрон обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Его поведение описывается с помощью уравнения Шрёдингера и волновой функции, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения электрона в данной точке пространства в данный момент времени.

Расчёты показывают, что волновые функции электронов в атоме отличны от нуля и за пределами сферы, соответствующей поперечнику эффективного сечения атома (размеру атома). Поэтому при сближении атомов волновые функции электронов перекрываются раньше, чем начинает существенно сказываться действие межатомных сил отталкивания. Появляется возможность перехода электронов от одного атома к другому. Таким образом, возможен обмен электронами и между двумя телами, сближенными без соприкосновения, то есть без механического контакта.

Для обеспечения направленного движения электронов (электрического тока) между такими телами необходимо выполнение двух условий: у одного тела должны быть свободные электроны (электроны проводимости), а у другого – незаполненные электронные уровни, куда

7

могли бы перейти электроны; между телами требуется приложить разность потенциалов, и её величина несоизмеримо мала в сравнении с той, что требуется для получения электрического разряда при пробое воздушного диэлектрического зазора между двумя телами.

Электрический ток, возникающий при заданных условиях, объясняется туннельным эффектом и называется туннельным током. Это явление и положено в основу работы СТМ, который изобрели Герд Бинниг и Герхард Рорер в 1982 году.

На практике явление туннелирования в СТМ реализуется, когда один из проводников представляет собой иглу (зонд), а другой – поверхность исследуемого объекта.

Сканирующий туннельный микроскоп функционирует следующим образом (рис. 1).

Рис. 1. Схема перемещения зонда над поверхностью объекта

Зонд подводят по вертикали (ось Z) к поверхности образца до появления туннельного тока. Затем перемещают зонд над поверхностью по осям X, Y (сканирование), поддерживая ток постоянным посредством перемещения иглы зонда по нормали к поверхности. Это означает, что при сканировании зонд остаётся на одном и том же расстоянии L от поверхности образца. Поэтому, вертикальное перемещение зонда отражает рельеф поверхности образца.

При работе СТМ расстояние между объектом и зондом L = 0,3÷1 нм, поэтому вероятность нахождения между ними молекул воздуха при нормальных атмосферных условиях очень мала, т.е. протекание туннельного тока происходит в «вакууме». Окружающая среда влияет только на чистоту исследуемой поверхности, определяя химический состав адсорбционных слоёв и окисление активными газами атмосферы.

Отсюда вытекает важный для практического применения принцип работы СТМ: для работы сканирующего туннельного микроскопа вовсе не требуется высокий вакуум, как для электронных микроскопов других типов.

8

Миниатюрные размеры зонда и высокая чувствительность детектирующей системы зондовых микроскопов позволяет достигать нано- и субнанометрового пространственного разрешения при детектировании поверхностных свойств (разрешающая способность прибора, как правило, тем выше, чем более короткодействующий характер имеет взаимодействие зонда и образца).

Применяющаяся в микроскопе СТМ-игла (рис. 4), представляет собой отрезок платиновой проволоки диаметром от 0.2 мм до 0.5 мм и длиной от 12 до 14 мм, впаянный одним концом на 1-2 мм внутрь тонкостенной трубки из нержавеющей стали длиной от 8 до 12 мм с внешним диаметром 0.8(-0.05) мм. Передвигать столик с иглой по латерали оператор может как вручную, так и точными шагами (0.1 – 2 мкм) от компьютера, подающего при этом на систему из трёх пьезотрубок управляющие напряжения. Передвигая столики, оператор, таким образом, ориентирует иглу СТМ на нужное место на образце, видя горизонтально лежащую поверхность образца и подводящуюся сбоку иглу в оптический микроскоп.

Рис. 2. Игла над поверхностью объекта, увеличение ×100 крат

Описание элементов программы ScanMaster: Вид панели управления микроскопом в режиме СТМ представлен на рис. 5. На панели собраны органы регулировки, индикации и управления работой микроскопа, позволяющие задавать параметры работы аппаратуры, области сканирования и алгоритма сканирования. Слева панели находятся кнопки управления подводом зонда и сканирования (Frame-выбор области сканирования, XY-move-подвод иглы к выбранной области сканирования и т. д.).

9