Основные» принципы СТ микроскопии

Рассмотрим туннельный эффект применительно к сканирующей туннельной микроскопии (СТ микроскопия). Сама идея использования туннельного эффекта для зондирования поверхности достаточно проста. Тонкое металлическое острие (зонд) подводится к проводящей поверхности (рис. 1.4, а). Между ней и зондом существует небольшое напря­жение (от 0,01 до 10 В). Благодаря туннельному эффекту, ток в цепи будет идти даже при отсутствии полного контакта зонда с поверхностью. Чем меньше зазор (потенциальный барьер) между зондом и поверхностью, тем больше туннельный ток (рис. 1.4, б). Вначале, с помощью системы грубого позиционирования, зонд подводится на расстояние около 10 А, что позволяет зафиксировать силу туннельного тока порядка 10^-9 ампер. При даль­нейшем приближении зонда к поверхности туннельный ток резко возрастает. Высокая точность измерений ширины зазора между зондом и поверхностью определяется экспоненциальной зависимостью силы туннельного тока от расстояния (изменение зазора на 1А приводит к увеличению силы тока примерно в 10 раз). Следовательно, перемещая зонд горизонтально над поверхностью, можно по силе тока получить данные по ее топографии. Другой возможный режим работы - проводить зонд над поверхностью так, чтобы сохранялась величина туннельного тока. Для этого надо зонд с помощью компьютерной программы соответственно опускать и приподнимать над поверхностью, тем самым фиксируя ее топографию.

Рис.1.4. а - схема работы сканирующего туннельного микроскопа; б - график зависимости высоты скани­руемой поверхности и силы туннельного тока I от координаты

Для реализации этой идеи следовало решить ряд сложных технических проблем. Прежде всего, перемещение зонда по вертикальной оси Z, так же как сканирование поверхности (перемещение по осям X и У), и будет уникальной точности. Это стало возможным только после создания в 1966 г. специальных пьезодвигателей с обратной связью (Р. Янг). Пьезодвигатели позволяют перемещать зонд горизонтально на расстоянии от долей ангстрема до одного микрона, а по верти-Шли в рабочем режиме, когда уже зафиксирован туннельный ток, примерно на 0,1 А. Напомним, что среднее расстояние между атомами в кристалле составляет

Далее - прибор следует обезопасить от вибраций Современные сканирующие микроскопы имеют осо-WK) подвеску) и электромагнитных наводок.

И наконец, очень важно выдержать точную форму зонда, тем более что радиус его закругления на конце должен быть нанометровым, часто он заканчивается единичным атомом. При этом локальные электрические поля под зондом сравнимы по величине с внутриатомными.

В ноябре 1978 г. сотрудники швейцарского отделения компании «IBM» Г. Биннинг и Г. Рорер начали работу над прибором и в марте 1981 г. продемонстрировали его результативность. СТМ позволял «видеть» отдельные атомы. На рисунке 1.5 приведено знаменитое изображение поверхности кремния, подтвердившее работоспособность СТМ.

Известно, что расположение атомов на поверхности кристалла отличается от их расположения внутри. Внутренние межатомные связи идеального кристалла насыщены, и его структура соответствует наименьшей энергии. На свободной поверхности такое же расположение атомов приводит к возникновению оборванных язей, что делает структуру неравновесной. Поэтому требуется так называемая реконструкция поверхности, когда атомы на поверхности складываются в другой вор», что энергетически выгоднее. До создания СТМ предшествовало много противоречивых моделей структуру поверхности кремния, хотя предварительные данные показали, что в кристаллической ячейке на поверхности содержится 49 атомов. Полученные результаты сделали методику исследования поверхности с помощью СТМ общепризнанной, и создатели Г. Биннинг и Г. Рорер получили в 1986 г. Нобелевскую премию вместе с Э. Руска, создавшим в 30-х гг. несколько приборов - прообразов электронного микроскопа. Это был непривычно короткий срок между открытием и его мировым признанием.

Рис. 1.5. Реконструкция поверхности кремния: а – изображение получено с помощью СТМ Г. Биннингом и Г. Борером; б – схема атомной структуры поверхности (вид сверху, вид сбоку)

АСМ и его возможности

В 1986 г. Г. Биннинг с сотрудниками создал атомно-силовой микроскоп (АСМ), обладающий рядом преимуществ по сравнению с СТМ. В отличие от СТМ, пригодного для исследования только проводящей поверхности ГИ в условиях вакуума, АСМ позволил изучать поверхность диэлектрика не только в атмосфере, но и в любом газе, и даже покрытую слоем жидкости. Открылась возможность исследовать такие природные нанообъекты, как вирусы и гены. Специальные методы позволяют изучать даже жидкости и отдельные капли. Действие АСМ основано на измерении не туннельного тока, а силы взаимодействия между атомами зонда и атомами поверхности.

	Контактный		Безонтактный

Рис.1.6. Области энергии взаимодействия зонда АСМ с поверхностью при двух режимах работы (U — энергия взаимодействия, г - расстояние между зондом и поверхностью образца)

Рис. 1.7. Электронномикроскопические снимки кремниевого кантилевера при разных увеличениях

Возможны два режима работы АСМ: 1) контактный, когда зонд прижимается к образцу и его отклоне­ние вызвано силами отталкивания между атомами острия зонда и поверхности; 2) более щадящий для объекта исследования бесконтактный режим, когда рас­стояние между зондом и образцом составляет 5 - 10 нм и фиксируются силы притяжения. Общий вид зависимости энергии взаимодействия U двух атомов от Расстояния г между ними представлен на рисунке 1.6. Слева от точки r₀ превалируют силы отталкивания, справа - силы притяжения. Таким образом, при первом режиме работы АСМ взаимодействие зонда с поверхностью соответствует левой части кривой U(r), при втором - правой части.

Важной деталью АСМ и других сканирующих микроскопов является кантилевер (от англ. cantilever - балка). Он представляет собой чип - пластинку из легированного кремния миллиметровых размеров, из торца которой торчит балочка, заканчивающаяся собственно зондом, предельно тонким (рис. 1.7). В качестве зонда может использоваться углеродная нанотрубка.

Смещения кантилевера определяются по отклонению луча полупроводникового лазера, который падает на самый кончик кантилевера, покрытый алюминиевым напылением-зеркальцем. Отклонения луча фиксируются многосекционным фотодиодом (рис. 1.8).

В электронную схему микроскопа входит специальная система обратной связи, которая связана с системой отключения кантилевера и обеспечивает заданный режим сканирования. Работа всех сканирующих микроскопов управляется компьютером, также компьютеры обработке подвергаются результаты сканирования специальной программе, позволяющей получить изображение поверхности.

Идея зондовой микроскопии оказалась очень плодотворной. Появились сканирующие микроскопы, фиксирующие локальные магнитные поля на поверхности локальные тепловые, электрические поля и пр. Активно развивается оптическая сканирующая микроскопия ближнего поля, которая позволила преодолеть дифракционный предел в оптике. За сравнительно короткое период времени метод зондовой микроскопии став одним из самых востребованных в области не только в физики и химии, но также медицины и биология (рис. 1.9).

Для регистрации магнитных или электрический полей вблизи исследуемой поверхности предварительным сканированием исследуется рельеф поверхности точным замером высоты неровностей. После этого зонд; чувствительный к данному полю, программно проходит на заданном расстоянии над поверхностью по уже известному рельефу. Если отклонений кантилевера не наблюдается, значит, дополнительных неоднородных силовых полей нет, в противном случае их можно зафиксировать, используя специальный кантилен вер. Так, для определения магнитных полей поверхность кантилевера покрывается тонким (порядка 10² нм) ферромагнитным материалом. На рисунке 3 на цветной вклейке приведена доменная структура кристалла никеля при двух разных температурах.

В оптическом микроскопе ближнего поля зондом служит оптоволокно, остро отточенное до радиуса кривизны 10 нм. С его помощью определяют оптические свойства поверхности, например, люминесценцию.

По словам исследователей-биологов, визуализация ДНК, отдельных вирусов, белков, определение структуры и свойств клеточных мембран из категории экспериментального искусства превращаются в рутинные.

С развитием Интернета появилась возможность дистанционной работы на некоторых микроскопах коллективного пользования. На них выделяется время для работы не только исследователям, но и школьникам.

Зондовую сканирующую микроскопию называют «глазами и пальцами» нанотехнологии, потому что с ее помощью можно не только наблюдать отдельные атомы и перемещать их (см. рис. 1 на цветной вклейке). За счет приложенного к зонду электрического напряжения отдельные атомы можно «выдергивать» из поверхностного слоя, переносить в другое место и, меняя полярность, снова возвращать в поверхностный слой в нужную точку. Впервые это продемонстрировали сотрудники «IBM», выложившие название фирмы 35 атомами ксенона на поверхности никеля (рис. 1.10). Таким образом, предположение Р. Феймана о возможности манипуляции отдельными атомами подтвердилось меньше чем через 30 лет.