Физика поверхностных явлений в настоящее время является одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки. Именно на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твердого тела основаны успехи современных микро- и наноэлектроники, гетерогенного катализа, космических технологий и т.п. Исследование электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел, остается актуальной задачей. И заветное желание ученых (и не только ученых) на протяжении многих лет — непосредственное наблюдение за поведением отдельных атомов на поверхности твердого тела и изучение процессов с участием одиночных или небольших групп атомов.
Первостепенное значение для понимания свойств любого объекта имеет знание его атомной структуры, поэтому определение поверхностных структур — один из наиболее важных разделов физики поверхности. Последние 40 лет микроструктура поверхностей твердых тел интенсивно изучалась методами дифракции и рассеяния электронных и ионных пучков, а также электронной спектроскопии. Однако большинство этих методов первоначально разрабатывалось для исследования объемной структуры твердых тел, поэтому они не всегда годятся для получения информации о структуре поверхности, тем более на атомном уровне. Долгое время основным методом исследования структуры поверхностей служил метод дифракции медленных электронов (ДМЭ), с применением которого связан существенный прогресс в развитии науки о поверхности. С помощью ДМЭ была открыта атомная реконструкция поверхностей — существование особого их структурного состояния, отличного от объемного, и обнаружено большое количество специфических фазовых переходов на поверхностях, как чистых, так и покрытых адсорбированными пленками. В методе ДМЭ тонкий коллимированный моноэнергетический пучок электронов низкой (до десятков электронвольт) энергии направляется на поверхность исследуемого кристалла. Так как энергия падающих электронов сравнительно невелика, то они проникают на глубину всего одного-двух атомных слоев, поэтому анализ углового распределения дифракционных рефлексов, образованных рассеянным пучком, дает сведения о расположении атомов в поверхностном слое. Такая информация, однако, методически связана со структурой обратной решетки и оказывается усредненной по относительно большой площади поверхности кристалла.
Фазы и структуры металлических сплавов
... расположением атомов компонентов. Такие растворы называют упорядоченными или сверхструктурами. Они занимают промежуточное положение между твердыми растворами и химическими соединениями. Химические соединения.Химические соединения и родственные им фазы постоянного состава в металлических сплавах ...
Справедливости ради следует отметить, что в настоящее время существуют приборы, позволяющие отображать отдельные атомы: полевой ионный микроскоп и просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения, однако оба они имеют существенные ограничения по применимости, связанные со специфическими требованиями к форме образцов. В первом случае образцы должны иметь форму острых игл из проводящего материала с радиусом закругления не более 1000 Е, а во втором — тонких полосок толщиной менее 1000 Е. Первые изображения атомов были получены с помощью полевого ионного микроскопа, изобретенного Э. Мюллером в 1951 году. В этом приборе игольчатый образец, обычно изготавливаемый из тугоплавкого металла типа вольфрама, располагается в вакуумной камере напротив флуоресцирующего экрана. Камера заполняется инертным газом (гелием или аргоном) до давления 4-10 торр, и после приложения к острию высокого положительного напряжения вблизи наиболее выступающих участков поверхности происходит полевая ионизация атомов газа за счет туннелирования их электронов в образец. Образовавшиеся ионы ускоряются этим же полем и бомбардируют флуоресцирующий экран, отображая с большим увеличением выступающие участки.
Поэтому изобретение в 1982 году Гердом Биннигом и Генрихом Рорером сканирующего туннельного микроскопа, который не накладывает ограничений на размеры образцов, открыло двери в новый микроскопический мир.
1. История создания сканирующего туннельного микроскопа
туннельный микроскоп изображение ток
История создания этой методики берет свое начало с конца 60-х годов XX века, когда Р. Янг (Национальное бюро стандартов, США) попытался использовать электронное туннелирование для исследования геометрической структуры поверхности. С этой целью он разработал прибор, названный им топографиметром, весьма напоминающий современный СТМ за одним принципиальным исключением: сканирование осуществлялось на расстоянии ~ 100 Е от поверхности и в режиме полевой электронной эмиссии (но не вакуумного туннелирования).
В результате удалось наблюдать поверхность дифракционной решетки, но с разрешением лишь несколько сот ангстрем.
В ноябре 1978 года будущие Нобелевские лауреаты Герд Бинниг и Генрих Рорер вернулись к идее использования вакуумного туннелирования для локальной спектроскопии тонких оксидных слоев на металлах.
Несмотря на свою простоту, конструирование и изготовление СТМ до сих пор остается трудной задачей. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные СТМ, работающие в условиях криогенных температур. Перечислим основные проблемы, стоящие перед разработчиками:
- Изоляция от акустических и механических вибраций;
- Создание быстродействующей малошумящей электроники, работающей в широком динамическом диапазоне;
- Обеспечение надежных сверхвысоковакуумных условий, допускающих различные манипуляции с образцом;
- Изготовление тонких атомногладких острий-зондов и их диагностика.
Для решения первоначально казавшейся непреодолимой проблемы виброизоляции Герд Бинниг и Генрих Рорер в своей первой конструкции использовали даже сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла. В дальнейшем эту проблему удалось решить используя специальную подвеску в вакууме всего микроскопа на длинных пружинах и разместив сканирующий узел на массивном виброизолирующем столике. Для подвода острия-зонда к образцу на расстояние , равное нескольким ангстремам, и сканирования вдоль поверхности использовался пьезодвигатель на основе пьезоэлектриков — это такие материалы, которые изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения
Сканирующая зондовая микроскопия (2)
... зонд - образца. Типы сканирующих зондовых микроскопов. Сканирующий атомно-силовой микроскоп Сканирующий туннельный микроскоп Ближнепольный оптический микроскоп Сканирующий туннельный микроскоп один из вариантов сканирующего микроскопа, предназначенный для изменения ... ваальсовых сил, и возникает между исследуемой поверхностью и кончиком острия. Деформация кантилевера регистрируется по отклонению ...
В марте 1981 года (всего через 27 месяцев после того, как была сформулирована его базовая концепция) была экспериментально доказана экспоненциальная зависимость тунельного тока от расстояния между острием и образцом. День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии. За создание прибора Герду Биннингу и Генриху Рореру в 1986 году была присуждена Нобелевская премия.
2. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа
Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно прост, но кардинально отличается от всех предшествующих методик, применявшихся в физике поверхности. Тонкое металлическое острие, смонтированное на электромеханическом приводе (X,Y,Z-позиционере), служит зондом для исследования участков поверхности образца, что показано на рисунке 1.
Рисунок 1 — Принцип действия СТМ
Обозначения: рх, ру, pz — пьезоэлементы;
- туннельный вакуумный промежуток между острием-зондом и образцом;
- It — туннельный ток;
— Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние ?10?, то при приложении между острием и образцом небольшого (от 0,01 до 10 В) напряжения смещения Vs через вакуумный промежуток начинает протекать туннельный ток It порядка А. Полагая, что электронные состояния (орбитали) локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении X и/или Y с одновременным измерением выходного сигнала в цепи Z можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне. Эта структура может быть отображена в двух режимах: измеряя туннельный ток и поддерживая расстояние от острия до поверхности образца или измеряя изменения в положении острия (то есть расстояние до поверхности образца) при постоянном туннельном токе (второй режим используется чаще).
Для перемещения острия на малые расстояния и поддержания ширины вакуумного зазора с субангстремной точностью были использованы пьезоэлектрические материалы и система обратной связи.
Схема, демонстрирующая устройство СТМ и его работу, приведена на рисунке 2. На пьезоэлемент pz подается напряжение с выхода усилителя обратной связи, которое определяет величину зазора между образцом и острием и тем самым величину туннельного тока. Сам туннельный ток должен быть все время пропорционален заданному току, что поддерживается благодаря управляемой компьютером цепи обратной связи. На пьезоэлементы px и py под управлением того же компьютера подаются пилообразные напряжения, формирующие строчную и кадровую развертки (растр) подобно тому, как это осуществляется в телевидении. Осциллограммы напряжения V запоминаются компьютером, после чего преобразуются в зависимость z(x, y), отображающую траекторию движения острия и, таким образом, являющуюся туннельным изображением поверхности образца. Как правило, записанные сигналы подвергаются фильтрации и дополнительной компьютерной обработке, позволяющей представить туннельные изображения в режиме так называемой серой шкалы, в котором контраст изображения коррелирует с рельефом поверхности: светлые пятна соответствуют более высоко расположенным областям и наоборот.
Рисунок 2 — Работа СТМ
Схема, иллюстрирующая работу СТМ. Туннельный ток, возникающий при приложении напряжения Vs, поддерживается постоянным за счет цепи обратной связи, которая управляет положением острия с помощью пьезоэлемента pz. Запись осциллограммы напряжения Vz в цепи обратной связи при одновременном воздействии пилообразного напряжения развертки вдоль осей x и у образует туннельное изображение, являющееся своего рода репликой поверхности образца.
Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике, а электронное туннелирование с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления СТМ (как и контактная спектроскопия).
Все это делает СТМ уникальным микроскопом, который не содержит линз (а значит, изображение не искажается из-за аберраций), энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопии высокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов.
Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя методами. По методу постоянного туннельного тока, Рисунок 3(а).
Зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжение на Z-электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции , а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.
Рисунок 3 — Формирование СТМ изображения поверхности по методу постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния (б)
При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображение поверхности по методу постоянной высоты , Рисунок 3(б).
В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности. Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуется очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени. Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой.
При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающей над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.
Рисунок 4 — Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе
С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до атомарного, что продемонстрировано многими исследовательскими группами на образцах из различных материалов.
3. Устройство сканирующего туннельного микроскопа
Принцип работы микроскопа для исследования структуры поверхности материала или шлифа, основанный на использовании в качестве инструмента измерения туннельного тока, был сформулирован в начале XX века после открытия основных положений квантовой механики.
Однако практические трудности по разработке высокоточных двигателей для перемещения острия зонда, регистрирующих и следящих приборов, задержали появление конструкции туннельного микроскопа вплоть до конца XX столетия.
Блок-схема СТМ, работающего в режиме постоянного туннельного тока, представлена на рисунке 5.
|
Обозначение: 1 — двигатели для перемещения зонда по осям X, Y, Z; 2 — двигатель для перемещения объекта по оси Z;
|
||
Рисунок 5 — Блок-схема сканирующего туннельного микроскопа
Зонд перемещается в плоскости объекта XY и по нормали к ней Z с помощью трёх двигателей -1. Объект подводится к острию зонда с помощью двигателя -2.
От цифроаналогового преобразователя (ЦАП) подаются напряжения и на -, -двигатели — 1, управляющие сканированием зонда в плоскости объекта. На -двигатель -1 подается напряжение обратной связи , и двигатель начинает перемещать зонд по нормали к поверхности объекта до тех пор, пока туннельный ток цепи зонд — образец не будет стабилизирован на заданном уровне. Таким образом, изменение при сканировании поверхности будет количественно отражать характер изменения рельефа поверхности . Для регистрации этих зависимостей используется компьютер, обрабатывающий сигнал из АЦП. Это позволяет быстро менять параметры эксперимента, проводить математическую обработку трёхмерного массива данных, запоминать и выводить данные в различной форме. Сигнал на АЦП поступает из предусилителя, который служит для усиления туннельного тока.
Электронные устройства, используемые в СТМ, традиционны, и вся специфика прибора в основном связана с конструкцией двигателей перемещения зонда и образца. К этим двигателям предъявляются следующие требования:
- Двигатели должны обеспечивать по возможности большие перемещения при высокой жесткости устройства, что необходимо для защиты СТМ от механических вибраций. Поэтому они должны обладать высокими частотами собственных механических колебаний, что желательно также и для обеспечения быстродействия;
- Задаваемые перемещения должны быть воспроизводимы и линейно зависеть от управляющего напряжения;
Необходимо уменьшать мощность управляющих сигналов (в термо-скомпенсированной конструкции локальные источники тепла приводят к изменению температуры по направлению (появлению градиента температур) и вызывают искажения линейных размеров деталей конструкции микроскопа
Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют двигатели из пьезокерамики, обладающей высоким коэффициентом преобразования электрической энергии в механическую (до 40 %).
4. Области использования сканирующей туннельной микроскопии
Этот метод начал использоваться в научных исследованиях сравнительно недавно, но уже сейчас области его применения довольно разнообразны. Они могут быть представлены следующим образом.
Физика и химия поверхности на атомном уровне.
С помощью туннельной микроскопии удалось осуществить реконструкцию атомного строения поверхности многих материалов. СТМ позволяет получать спектр электронных состояний с атомным разрешением и определять химический состав поверхностного слоя, распределение потенциалов при протекании тока через образец и др.
Нанометрия — исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности образца.
Нанотехнологии — исследование, изготовление и контроль приборных структур в микроэлектронике.
На основе СТМ, в частности, возможны запись и воспроизведение информации. При записи используют эффект локального воздействия зонда на поверхность носителя информации. Это воздействие может быть механическим, создающим на поверхности искусственный рельеф в виде ямок — битов памяти. Искусственный рельеф может создаваться и путём термодесорбции. В этом случае зонд выступает в роли носителя материала для создания битов информации. Зонд может использоваться также и в роли точечного источника электронов для осуществления электронной литографии, химических или структурных локальных перестроек поверхности.
При записи информации методом электронной литографии (нанолитографии) через острие зонда пропускают кратковременно большой силы туннельный ток при повышенной разности потенциалов , происходит эмиссия электронов или ионов с острия на поверхность объекта или наоборот, и образуются на поверхности ямки или впадины,
которые и несут бит информации. Плотность записи достигает до 1012 . Для сравнения: плотность записи на современном накопителе информации, где использован магнитный эффект (магнитные диски), составляет 107 , при лазерном воздействии (компакт диски — CD) — до 109 .
Исследование биологических объектов — макромолекул (в том числе и молекул ДНК), вирусов и других биологических структур.
Следует отметить, что большая часть (примерно 80%) всех опубликованных работ относится к первой группе областей применения СТМ. В последнее время увеличивается количество публикаций относящихся к четвёртой группе.
СТМ имеет широкие перспективы в области материаловедения — при изучении микро-, суб- и кристаллических структур различных материалов. Объектами для исследования структуры материалов на СТМ могут служить, как и в других случаях (оптическая и электронная микроскопия), микрошлифы. Рельеф микрошлифа, получаемый при травлении, будет отражать структуру материала. Исследование рельефа на СТМ с высоким разрешением позволит выявить особенности, прежде всего, субструктурного строения. Представляется, что метод сканирующей туннельной микроскопии откроет широкие возможности для исследования дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций и т.д.), различных сегрегаций атомов, в том числе и при фазовых превращениях, особенно на их ранних стадиях. Определение, наряду с изучением структуры материала, химического состава локальных зон поверхностного слоя объекта (СТМ — спектроскопия), позволит составить конкуренцию растровой электронной микроскопии, микрорентгеноструктурному анализу, превосходя последний по уровню разрешения.
Работ в области материаловедения, особенно фундаментального характера, с использованием СТМ пока крайне мало. В настоящее время имеются работы по исследованию на СТМ некоторых металлов и сплавов, плёнок металлов толщиной от 0,5 нм, дифракционных решёток (изготовленных методами микроэлектроники и голографии), полупроводников, ферритовых головок, усталостных трещин в металлических материалах, углеродных микропористых фильтров, алмазоподобных плёнок, металлических монокристаллов, теплоизолирующих материалов на основе спечённых кварцевых волокон, порошковых материалов, алмаза и других природных камней, фуллеренов и подобных им образований, плёнок жидких кристаллов и др. Эти исследования в основном связаны с выявлением структуры различных материалов. Ещё один способ использования метода СТМ состоит в том, что между зондом и подложкой прикладывают достаточно большое напряжение, под действием которого материал с кончика зонда начинает напыляться на подложку. При перемещении зонда атомы попадают на поверхность и образуют нить нанометрового масштаба.
Предложен также способ разложения металлоорганических соединений при прохождении тока между иглой СТМ и подложкой. В результате металл осаждается на подложку, и таким образом при движении иглы тоже образуют тонкую металлическую нить субмикронного размера. В результате становится возможным изготавливать из нанопроволок рисунки сложной формы, создавать элементы наноструктур. Для одновременного изготовления большого количества наноструктур на одной подложке разрабатывают наноманипуляторы, содержащие большое число микро-СТМ. Управление напоманипуляторами производится с помощью компьютера, они способны одновременно с изготовлением прибора вести наблюдение за поверхностью, на которой производится сборка наноструктур.
Заключение
СТМ — первый из семейства зондовых микроскопов. Он стал первым устройством, давшим реальные изображения поверхностей с разрешением до размера атома. С момента своего изобретения СТМ широко используется учеными самых разных специальностей, охватывающих практически все естественнонаучные дисциплины, начиная от фундаментальных исследований в области физики, химии, биологии и до конкретных технологических приложений. Принцип действия СТМ настолько прост, а потенциальные возможности так велики, что очень интересно попытаться предугадать его воздействие на науку и технику ближайшего будущего.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/skaniruyuschiy-tunnelnyiy-mikroskop/
1. Маслова Н.С., Панов В.И. Сканирующая туннельная микроскопия атомной структуры, электронных свойств и поверхностных реакций // Успехи физ. наук. 1989. Т. 157, № 1. С. 185-195.
2. Бахтизин Р.З., Сканирующая туннельная микроскопия — новый метод изучения поверхности твёрдых тел. СОЖ, 2000. №11, с83-89.
3. Трубецков Д.И., Вакуумная микроэлектроника .СОЖ, 1997. № 4. С. 58-64.
4. Келдыш Л.В., Таммовские состояния и физика поверхности твердого тела. Природа. 1985. № 9. С. 17-33.
5. Лифшиц В.Г., Современные приложения сканирующей туннельной микроскопии для анализа и модификации поверхности. СОЖ, 2001, №7, с.110-119.
