Сканирующая туннельная микроскопия

Лекция №1

1^○ Общие сведения о СТМ. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) изобретен в 1982 г. Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в лаборатории IBM (Цюрих, Швейцария) и стал первым инструментом, позволившим получить трехмерное изображение поверхности твердых тел с атомарным разрешением. В 1986 г. Бинниг и Рорер за это открытие были награждены Нобелевской премией по физике.

Рисунок 1 Принцип действия СТМ

Сущность СТМ заключается в возникновении туннельного тока (~0,01-50 нА) между близкорасположенными (~0,1-10 нм) проводящими зондом и исследуемым образцом при приложении к ним электрического напряжения
(~1-4 В). Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния «зонд-образец» определяет высокую разрешающую способность СТМ (латеральное разрешение ~ 1 Å, вертикальное разрешение ~ 0.01Å).

2^○ Теория СТМ. В классической физике электрон не может преодолеть потенциальный барьер, если его энергия E меньше высоты потенциального барьера Ф.

Рисунок 2 Туннелирование электронов через потенциальный барьер

Квантовая физика допускает такую возможность и волновая функция электрона для прямоугольного потенциального барьера экспоненциально зависит от его ширины d:

, (1)
Вероятность обнаружить электрон позади барьера равна:

, (2)
Высота потенциального барьера для малых напряжений может быть представлена средним значением работ выхода зонда и образца:
, (3)
При приложении электрического напряжения V к зазору «зонд-образец» возникает туннельный ток I, пропорционаленый вероятности туннелирования электронов через потенциальный барьер:

, (4)

Решая уравнение Шредингера для прямоугольного потенциально барьера, можно получить аналитическое выражение для туннельного тока:

, (5)

Рисунок 3 Зависимость туннельного тока от расстояния «зонд-образец»

Из выражения (5) видно, что туннельный ток зависит от расстояния «зонд-образец» d, напряжения V и высоты потенциального барьера Ф. При постоянном расстоянии d туннельный ток I подчиняется закону Ома (I~V). Туннельный ток I экспоненциально зависит от расстояния d. При типичных значениях работы выхода для металлов Ф~4 эВ туннельный ток I возрастает в 10 раз на каждый 0,1 нм расстояния d. Это означает, что при уменьшении зазора на величину, равную диаметру одного атома ~0,3 нм, туннельный ток I возрастет в 1000 раз. Именно эта особенность и определяет высокую чувствительность метода СТМ.

3^○ Устройство СТМ. Принципиальная схема СТМ представлена на рисунке 4. СТМ состоит из: 1) блока держателя, на котором закрепляется образец; 2) проводящего зонда; 3) пьезосканера; 4) системы обратной связи, обеспечивающей управление расстоянием «зонд-образец», перемещение зонда в плоскости образца, изменение напряжения; 5) системы виброизоляции; 6) управляющего компьютера.

Рисунок 4 Принципиальная схема СТМ

4^○ Зонды СТМ. Зонд СТМ изготавливается из хорошо проводящей металлической проволоки (вольфрам, платина или платино-иридиевый сплав). Одна часть зонда закрепляется в пьезосканере, другая должна быть заострена. Для получения атомарного разрешения на острие зонда должен находиться только один атом (в идеальном случае). Зонды для СТМ получают двумя основными методами: 1) срезают ножницами металлическую проволоку под острым углом; 2) проводят электрохимическую заточку.

5^○ Пьезосканеры СТМ. Управление перемещением зонда по вертикали и в плоскости образца осуществляется пьзосканером. Принцип действия пьезосканера основан на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта – электрическое поле в пьезоэлектрическом материале вызывает механические напряжения, приводящие к изменению геометрии материала. Основными пьезоматериалами являются: кварц, BaTiO₃, пьезокерамика (Pb(Ti,Zr)O₃). Пьезосканеры могут быть реализованы в следующих вариантах:

Трипод	б) биморфный	в) цилиндирческий
Рисунок 5 Типы пьезосканеров

6^○ Методы СТМ. В СТМ используются три основные методики (рис.6):
1) метод постоянного тока I=const (используется для исследования морфологии образцов с достаточно грубым рельефом); 2) метод постоянной высоты h=const (применяется для исследования атомарно гладких поверхностей); 3) сканирующая туннельная спектроскопия (необходима для исследования состава поверхности гетерогенных образцов).

а) метод постоянного тока	б) метод постоянной высоты	в) СТМ-спектроскопия
Рисунок 6. Методы СТМ

В методе постоянного тока (I=const) при латеральном перемещении зонда с помощью системы обратной связи производится корректировка вертикального положения зонда так, чтобы туннельный ток оставался неизменным. В процессе сканирования перемещающийся зонд воспроизводит морфологию исследуемой поверхности (траектория зонда повторяет рельеф поверхности).

В методе постоянной высоты (h=const) вертикальное положение зонда не изменяется. При латеральном перемещении регистрируется изменение туннельного тока, что позволяет прецизионно исследовать морфологию поверхности. Метод постоянной высоты подходит только для атомарно гладких поверхностей (при грубом рельефе велика вероятность деформировать зонд или повредить поверхность). Скорость сканирования в этом режиме должна быть достаточно высокой, чтобы не успевала отрабатывать система обратной связи.

В методе СТМ-спектроскопии исследуется гетерогенные (химические неоднородные поверхности). Для работы выхода электронов из различных участков поверхности работы выходов Ф отличаются. Дифференцируя выражение (5) видно, что

Следовательно, работа выхода электронов может быть измерена путем варьирования расстояния «зонд-образец» и измеряя с помощью системы обратной связи модулированный ток.