Сканирующая туннельная микроскопия (STM) - это рабочий режим сканирующего зондового микроскопа SPM-ХЕ. STM является предшественником всех сканирующих зондовых микроскопов. Он был изобретен в 1981 Гердом Биннигом (Gerd Binnig) и Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer) в компании IBM Zurich. Пять лет спустя они были удостоены нобелевской премии за свое изобретение по физике. STM явился первым микроскопом, который позволил получать изображения поверхности с очень точным, атомарным разрешением.

Работа сканирующей туннельной микроскопии и АСМ проводимости очень схожи за исключением то, что в STM используется заостренная проводящая игла вместо проводящего кантилевера, как в АСМ проводимости. Напряжение сдвига подается между зондом и образцом. Когда зонд приближается к поверхности на расстояние около 10 Å, электроны от образца начинают «проходить» через промежуток 10 Å в зонд или, наоборот, в зависимости от сдвига напряжения, как показано на рисунке 1. Результирующий туннельный ток меняется в зависимости от дистанции «зонд-образец». Образец и зонд должны быть проводниками или полупроводниками. STM не используется для создания изображений диэлектриков.

Рисунок 1. Схема системы СТМ серии XE

Рисунок 2. Сравнение методов (a) постоянной высоты и (b) постоянного туннельного тока для СТМ

Зависимость туннельного тока от дистанции является экспоненциальной. По квантовой теории механики туннельный ток (I t) вычисляется как:

I t = e -kd

где d - это дистанция между зондом и поверхностью образца.

Если расстояние между зондом и поверхностью образца изменяется на 10% (порядка 1 Å), туннельный ток изменяется на один порядок. Подобная экспоненциальная зависимость обеспечивает микроскопу STM превосходную чувствительность. СТМ способен изобразить поверхность образца с точностью в доли ангстрема в вертикальном направлении и с атомарным разрешением в латеральной плоскости.

В сканирующей туннельной микроскопии могут использоваться разные методы: получение «топографического» (при постоянном токе) изображения и разных напряжений сдвига; получение токовых сканов при разной, но постоянной, высоте сканирования; при линейном сдвиге напряжения и определенном расположении зонда в момент записи туннельного тока. Последний пример представляет собой кривую зависимости тока от напряжения (I-V) электронной структуры в конкретной точке XY поверхности образца. STM можно настроить для получения кривых I-V в каждой точке поверхности, чтобы иметь трехмерное изображение электронной структуры. При наличии в схеме синхронного усилителя можно получить зависимости dI/dV (проводимость) или dI/dz (рабочая функция) от V. Все указанные варианты зондирования электронной структуры поверхности применяют в микроскопе STM.

Схема методик измерений при постоянной высоте и постоянном токе показана на рисунке 2. В режиме постоянной высоты зонд перемещается в горизонтальной плоскости над поверхностью образца и туннельный ток изменяется в зависимости от рельефных и электронных свойств поверхности. Tуннельный ток измеряется в каждой точке поверхности образца, топографическое изображение поверхности представлено на рисунке 2 (a).

В режиме постоянного тока сканирующей туннельной микроскопии применяется обратная связь, которая поддерживает постоянное значение туннельного тока путем регулировки высоты сканера в каждой конкретной точке измерения, как показано на рисунке 2 (b). Например, когда система обнаруживает увеличение туннельного тока, она регулирует его с помощью Z- сканера путем увеличения дистанции между зондом и образцом. В режиме постоянного тока перемещение сканера обеспечивает получение перечня данных. Если система сохраняет туннельный ток постоянным с погрешностью в нескольких процентов, дистанция «зонд-образец» также будет постоянной в пределах нескольких сотен ангстрем. Каждый из двух методов имеет преимущества и недостатки. Режим постоянной высоты работает быстрее, так как система не перемещает сканер вверх-вниз, но он удобен только для изучения достаточно гладких поверхностей. Режим постоянного тока измеряет рельефность с высокой точностью, но требует больше времени.

После первой аппроксимацией сигнал туннельного тока создает топографическое изображение образца. Туннельный ток соответствует электронной плотности поверхности. STM чувствителен к количеству заполненных или незаполненных электронных уровней около уровня Ферми, в пределах энергетического ряда, определенного напряжением сдвига. Это больше, чем просто измерение физической топографии (рельефа), микроскоп измеряет саму возможность постоянного прохождения электронов для данной поверхности.

С пессимистической точки зрения чувствительность STM к местной электронной структуре может стать причиной сложностей, связанных с получением топографии. Например, если область образца покрыта окислами, туннельный ток стремительно падает, если зонд создает отверстие в поверхности.

С оптимистической точки зрения чувствительность СТМ к местной электронной структуре может иметь огромное преимущество. Другие методики для получения информации об электронных свойствах образца собирают данные с большой поверхности образца, от нескольких микрон до нескольких миллиметров. СТМ можно использоваться как инструмент для анализа поверхности, который сканирует электронные свойства поверхности образца с атомарной точностью. На рисунке 3 показана (a) топография и (b) STM изображение высокого порядка (HOPG).

Рисунок 3. (a) Топография и (b) STM изображение HOPG (размер скана 5 нм)

Для режимов XE-STM предлагается два токовых усилителя: «внутренний STM» и «внешний STM». «Внутренний STM» - это режим STM, в котором применяется токовый усилитель фиксированного усиления, размещенный в модуле головки с изменяемой длиной. Во «внутреннем STM» диапазон значений измеренного туннельного тока фиксирован, так как усиление постоянно. Во «внешнем STM» измеренный туннельный ток можно изменять благодаря переменному коэффициенту усиления. «Внешний STM» - это режим STM, в котором применяется внешний малошумный токовый усилитель с переменным усилением (см. «Внешний малошумный токовый усилитель»).

Режим спектроскопии «I/V» обеспечивает получение кривых зависимостей тока (I) от напряжения (V) для изучения электрических свойств поверхности образца. Кривая «I/V» - это график зависимости тока от напряжения зонда относительно образца.

Необходимые опции

Внутренний

• Зонды STM и держатель зонда STM

Внешний

• Зонды STM и держатель зондов STM
• Внешний малошумный токовый усилитель
• Модуль головки и несущий модуль

Агафонов Кирилл

Проектно-исследовательская работа

Скачать:

Предварительный просмотр:

ГОУ Средняя общеобразовательная школа №301

Московский Государственный Технологический Университет

“Станкин”

Проектно-исследовательская работа

на тему:

“Туннельный микроскоп как инструмент нанотехнологий”

Выполнил: ученик 11а класса

Агафонов Кирилл Сергеевич

Научный руководитель: кандидат технических наук

Богомолов Алексей Валентинович

Учитель физики: магистр техники и технологий

Пестрецов Владимир Викторович

Москва, 2006г.

1.Введение…………………………………………………..3

2. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа…………………………………………………4

2.2. Что такое туннельный эффект?....................................4

3. Технические возможности туннельного микроскопа...9

3.2. Области применения………………………………….10

4. Нанотехнологии. Перспективы развития…………...…12

5.Заключение…………………………………………….…16

6.Список литературы………………………………………17

1. Введение.

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 , исследование разнообразных электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел. Остается актуальной задачей и заветное желание 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 30 лет микроструктура поверхностей твердых тел интенсивно изучалась методами дифракции и рассеяния электронных и ионных пучков. 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. Изобретение в 1982 году Г. Биннигом и Г.Рорером сканирующего туннельного микроскопа , который не накладывает ограничений на размеры образцов, реально открыло двери в новый микроскопический мир.

2 . Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа .

По своей природе электрон обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Расчеты показывают, что волновые функции электронов в атоме отличны от нуля и за пределами сферы, соответствующие поперечнику эффективного сечения атома (размеру атома). Поэтому при сближении атомов волновые функции электронов перекрываются раньше, чем начинает существенно сказывается 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.

1. у одного тела должны быть свободные электроны (электроны проводимости), а у другого – незаполненные электронные уровни, куда могли бы перейти электроны;
2. между телами требуется приложить разность потенциалов, и её величина несоизмерима мола в сравнении с той, что требуется для получения электрического заряда при пробе воздушного диэлектрического зазора между двумя телами.

Электрический ток, возникающий при заданных условиях, объясняется туннельным эффектом и называется туннельным током.

2.2. Что такое туннельный эффект?

Туннельным эффектом называется возможность элементарной частице,

Например электрону, пройти (протуннелировать) через потенциальный барьер, когда энергия барьера выше полной энергии частицы. Возможность существования туннельного эффекта в микромире была понята физиками в период создания квантовой механики, в 20-30-х годах нашего века. В дальнейшем за счёт туннельного эффекта были объяснены некоторые весьма важные явления, обнаруженные экспериментально в различных областях физики.

Рис.1 а - принцип действия СТМ: р x , р y , р z - пьезоэлементы; - туннельный вакуумный промежуток между острием-зондом и образцом; I t - туннельный ток; б - схема, иллюстрирующая работу СТМ. Туннельный ток, возникающий при приложении напряжения V s , поддерживается постоянным за счет цепи обратной связи, которая управляет положением острия с помощью пьезоэлемента р z . Запись осциллограммы напряжения V z в цепи обратной связи при одновременном воздействии пилообразного напряжения развертки вдоль осей x и y образует туннельное изображение, являющееся своего рода репликой поверхности образца

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 (рис. 1 а ). Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние , то при приложении между острием и образцом небольшого (от 0,01 до 10 В) напряжения смещения V s через вакуумный промежуток начинает протекать туннельный ток I t порядка 10 -9 . Полагая, что электронные состояния локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении X и / или Y с одновременным измерением выходного сигнала в цепи можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне.

Существуют два варианта режима работы СТМ: режим постоянной высоты и режим постоянного тока.

А б

Рис.2 . Варианты работы СТМ. а)Режим постоянной высоты. Б)Режим постоянного тока.

При работе в режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над исследуемой поверхностью (рис.2а). Туннельный ток при этом изменяется и по этим изменениям легко может быть определен рельеф поверхности образца.

При работе в режиме постоянного тока (рис.2б) используется система обратной связи, которая поддерживает постоянным туннельный ток за счет перемещения острия иглы в вертикальном направлении. В этом случае информация о рельефе поверхности получается на основании данных о перемещении иглы.

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.

Несмотря на свою простоту, конструирование и изготовление СТМ до сих пор остается трудной задачей. Даже в наши дни существует немного лабораторий, располагающих СТМ, которые работали бы с истинно атомным разрешением. 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. В дальнейшем будем говорить только о сверхвысоковакуумных СТМ, работающих при комнатной температуре. Перечислим основные проблемы, стоящие перед разработчиками:

1) изоляция от акустических и механических вибраций;

2) создание быстродействующей малошумящей электроники, работающей в широком динамическом диапазоне;

3) обеспечение надежных сверхвысоковакуумных условий, допускающих различные манипуляции с образцом;

4) изготовление тонких атомногладких острий-зондов и их диагностика.

Для решения первоначально казавшейся непреодолимой проблемы виброизоляции Бинниг и 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 (рис. 1 а).

Схема, демонстрирующая устройство СТМ и его работу, приведена на рис 1б. На пьезоэлемент p z 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 p x и p y под управлением того же компьютера подаются пилообразные напряжения, формирующие строчную и кадровую развертки (растр) подобно тому, как это осуществляется в телевидении. Осциллограммы напряжения V z 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. И в процессе работы даже с первым вариантом СТМ в марте 1981 года (всего через 27 месяцев после того, как была сформулирована его базовая концепция!) была экспериментально доказана характерная для туннелирования экспоненциальная зависимость тока I t от расстояния острие-образец. День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии.

3. Технические возможности туннельного микроскопа.

Основными техническими характеристиками СТМ являются разрешение по нормали к исследуемой поверхности объекта и разрешение в плоскости XY. Реальное разрешение СТМ зависит от ряда факторов, основными из которых являются внешние вибрации, акустические шумы и качество приготовления зондов. На рис.3 показана структура свежего скола по кристаллографической плоскости высокоориентированного пиролитического графита.

Изображения структур на рис. 3, а, б, в получены в условиях низкого, среднего и высокого уровней помех.

Рис. 3. Изображение структуры поверхности свежего скола по кристаллографической плоскости (0001) высокоориентированного пиролитического графита при разных уровнях помех а, б, в.

Изображение структуры на рис.3, в получено в обычных лабораторных условиях, то есть при высоких уровнях помех.

Помимо разрешения микроскопа его важной характеристикой является полезное увеличение. Для СТМ полезное увеличение составит около 7 млн. раз (для сравнения: у оптического микроскопа - 1000 раз).

Другая важная характеристика СТМ – максимальный размер поля сканирования в плоскости XY и максимальное перемещение зонда по нормали к поверхности. Первые конструкции СТМ имели очень малое поле сканирования (не более 1 1 мкм).

Технические возможности СТМ могут быть существенно расширены. С этой целью проводят энергетический анализ туннелирующих электронов, т.е. получают спектральную зависимость туннельного тока.

3.2. Области применения .

1. 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.

2. Нанометрия – исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности образца.

3. 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 I т при повышенной разности потенциалов U , 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 10 12 бит/см 2 . Для сравнения: плотность записи на современном накопителе информации, где использован магнитный эффект (магнитные диски), составляет 10 7 бит/см 2 , при лазерном воздействии (компакт диски - CD) – до 10 9 бит/см 2 .

4. 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.

5. 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.

4 . Нанотехнологии. Перспективы развития.

Физики исследовательского центра компьютерного концерна IBM Almaden в Калифорнии решили применить для разработки новых вычислительных систем на нанометровом и атомарном уровне принцип домино. Роль камней домино выполняют молекулы, которые при "падении" образуют цепочки, позволяющие производить математические операции.
Для своих исследований ученые используют сканирующий туннельный микроскоп – изобретение немецкого физика Герда Биннинга (Gerd Binning), получившего за него Нобелевскую премию в 1986 году. Намагниченная игла микроскопа приближается почти вплотную к поверхности носителя, между ними – вследствие так называемого туннельного эффекта – возникает электрический ток. Его величина поддерживается на одном и том же уровне. По мере продвижения вдоль носителя игла то удаляется от поверхности, то приближается к ней, как бы "прощупывая" своеобразный атомарный "рельеф".
По большому счету, туннельный микроскоп во многом напоминает знакомый с детства проигрыватель пластинок, только в нём игла бежит не по неровностям виниловой дорожки, а по атомам поверхности носителя. Исследование рельефа проходит без непосредственного соприкосновения с поверхностью, но несмотря на это, исследователям уже удается перемещать атомы с места на место, выстраивая из них некое подобие детского конструктора Lego. Игла проигрывателя несёт по поверхности пластинки крохотные частицы пыли, как бы толкая их перед собой. То же самое способен проделывать и туннельный микроскоп, только с микрочастицами.
Уже давно физикам IBM удалось выложить фирменный знак (рис.4) своего концерна из отдельных атомов.

Рис. 4. Фирменный знак IBM.

Однако это, можно сказать, ничто по сравнению с результатами, которых недавно добился руководитель лаборатории Андреас Хайнрих (Andreas Heinrich):
"Мы показали, что способны не только рисовать на поверхности атомарные граффити, но и выстраивать активные логические структуры из отдельных атомов, что позволит в будущем использовать подобные технологии для создания сверхминиатюрных компьютеров".
Хайнрих и его коллеги работают не с атомами, а с незначительно превышающими их по размерам молекулами угарного газа. Согласно определённой схеме ученые расположили 550 молекул на поверхности с медным покрытием. Андреас Хайнрих приводит для наглядности аналогию с костяшками домино, падающими в определенной последовательности или остающимися стоять на поверхности стола. У костяшек есть всего две возможности – они или лежат, или стоят. Так же и с молекулами окиси углерода: они или остаются на своем месте или сдвигаются на одну позицию дальше.
По словам Андреаса Хайнриха, расстояние между двумя позициями составляет четверть нанометра. Молекула "перепрыгивает" на следующую позицию и сталкивает соседнюю молекулу с места. Таким образом возникает цепная реакция.
И самое важное: Хайнрих установил молекулы так, что они могут взаимодействовать друг с другом, встречаясь в условленных пунктах. Эти "места встреч" и являются элементами логических цепочек. Они справляются с простыми вычислительными операциями такими, например, как логическое умножение:
"Логическое умножение предусматривает два входных импульса и один выходной. Возникновение выходного импульса возможно лишь при подаче обоих входных. Это означает, что если поступил только один из них, то выходного импульса не будет".

В общей сложности физики выстроили шесть различных логических операций. Они соединены определенным образом и представляют собой своего рода вычислительную машину. Действие этого захватывающего представления разворачивается на поверхности размером в 12 на 17 нанометров. Для сравнения: в сегодняшних компьютерных чипах один транзистор занимает площадь в 2.000х2.000 нанометров. Итак, вычисления на нанометровом уровне стали реальностью.
Однако впадать в эйфорию рано. У этой многообещающей технологии есть один существенный недостаток: так же, как и ряды из костяшек домино, которые можно опрокинуть лишь один раз, исследователи вынуждены всё время выстраивать наши структуры от молекулы к молекуле. То есть, для того, чтобы произвести новое вычисление, необходимо при помощи туннельного микроскопа заново приводить каждую молекулу в её первоначальное состояние. А длится этот процесс может часами. Так что пока конкурировать с "Пентиумом" нано-домино не в состоянии:
"Необходимо иметь в виду, что речь здесь идет не о презентации готовой компьютерной технологии. Важно то, что эксперимент доказал возможность создания компьютерных систем на атомарном уровне".
Ученый поделился своими планами на будущее. Вместо того, чтобы приводить в движение молекулы механическим путем, физики при помощи электромагнитных полей будут менять направление вращения ядер атомов - "ядерные спины". Этим уже занимаются исследователи бостонской лаборатории MIT Media Lab, работающие над созданием так называемых "квантовых компьютеров", которые также работают со специальными молекулами.

5. Заключение .

Мы кратко рассмотрели историю создания СТМ и получения структурных и электронных изображений поверхности с атомным разрешением. 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 невозможно предсказать его воздействие на науку и технику даже ближайшего будущего.

6. Список литературы .

1. От субмикронной к нанотехнологии. / Ю.С.Борисов, В.В.Ракитин, Н.С.Самсонов/

2. Физические основы полупроводниковой нанотехнилогии. /Белявский В.И./

3. Нанотехнология с помощью СТМ. /Неволин В.К., Хлебников Ю.В., Шермегор Т.Д. /

4. Нанологические процессы и установки. /Лускинович П.Н./

5. Наноиндустрия и микросистемы. /Алексенко А.Г/

6. СТМ – измерительное средство нонотехнологии./А.Бычихин, М.О.Галлямов, В.В.Потёмкон, А.В.Степанов, И.В.Яминский/

Стр. из

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) был сотворен в 1982 г сотрудниками исследовательского отдела компании IBM Г. Биннигом и Х. Рёрером. Он открыл очень перспективные способности научных и прикладных исследовательских работ в области нанотехники и явился первым техническим устройством, при помощи которого была осуществлена приятная визуализация атомов и молекул. За создание СТМ Г. Бинниг и Х. Рёрер в 1986 году были удостоены Нобелевской премии по физике.

Механизм работы СТМ заключается в последующем: к поверхности проводящего эталона на свойственное межатомное расстояние , составляющее толики нанометра, подводится очень тонкое железное острие (игла). При приложении меж прототипом и иглой разности потенциалов ~ 0,11В в цепи (рис.4.13) возникает ток, обусловленный туннелированием электронов через зазор меж ними.

Туннельный ток составляет ~110нА, т.е. имеет величину, которую полностью можно измерить экспериментально.

Так как возможность туннелирования через возможный барьер экспоненциально находится в зависимости от ширины барьера, то туннельный ток при увеличении зазора меж иглой и поверхностью эталона Z убывает по экспоненте и миниатюризируется приблизительно на порядок при увеличении Z на каждые 0,1 нм. Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния обеспечивает очень высшую разрешающую способность СТМ.

Повдоль оси Z, перпендикулярной к поверхности эталона, разрешающая способность СТМ составляет ~ нм, а повдоль осей X,Y, параллельных поверхности эталона, ~ нм. Перемещая иглу СТМ повдоль поверхности эталона, т.е. осуществляя сканирование поверхности, можно получать информацию о рельефе поверхности с атомным пространственным разрешением.

Есть два варианта режима работы СТМ: режим неизменной высоты и режим неизменного тока. При работе в режиме неизменной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над исследуемой поверхностью (рис. 4.3а). Туннельный ток при всем этом меняется и по этим изменениям просто может быть определен рельеф поверхности эталона.

При работе в режиме неизменного тока (рис. 4.3б) употребляется система оборотной связи, которая поддерживает неизменным туннельный ток за счет перемещения острия иглы в вертикальном направлении. В данном случае информация о рельефе поверхности выходит на основании данных о перемещении иглы.

Общая схема СТМ приведена на рис. 4.4.

При помощи системы грубого подвода и позиционирования игла СТМ подводится к исследуемой поверхности на расстояние ~ 0,1 мкм. Предстоящее перемещение иглы и исследование поверхности проводится при помощи специального сканирующего устройства. Это устройство сделано из пьезоэлектрика, т.е. вещества, способного изменять свои линейные размеры при приложении к нему электронного поля, и позволяет перемещать иглу СТМ над поверхностью эталона с очень высочайшей точностью.

Одним из более принципиальных узлов СТМ является игла (острие), в качестве которой употребляется узкая проволока из вольфрама, ванадия либо другого проводящего материала. Для улучшения черт кончика острия его подвергают химическому травлению. Опыты демонстрируют, что травление острия с радиусом кончика мкм фактически обеспечивает разрешение на атомном уровне.

Управление движением сканирующего устройства и контроль за работой системы оборотной связи осуществляется компом. С его помощью проводится запись результатов измерения, их обработка и визуализация исследуемой поверхности. Обычные результаты исследовательских работ, выполненные при помощи СТМ, приведены на рис. 4.16, на котором представлены изображения молекул , адсорбированных на поверхности кристалла меди. Размеры по осям приведены в ангстремах (м).

Принципиально отметить, что СТМ, в отличие от других электрических микроскопов, не содержит линз и, как следует, получаемое в нем изображение не искажается из-за аберраций. Не считая того, энергия электронов, формирующих изображение в СТМ, не превосходит нескольких электронвольт, т.е. оказывается меньше соответствующей энергии хим связи, что обеспечивает возможность неразрушающего контроля исследуемого эталона. Напомним, что в электрической микроскопии высочайшего разрешения энергия электронов добивается сотен килоэлектронвольт, что приводит к образованию радиационных изъянов.

В текущее время перспективны последующие области внедрения СТМ:

• физика и химия поверхности на атомном уровне;
• нанометрия — исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности, процессов зародышеобразования при росте пленок, процессов хим либо ионного травления, осаждения и т.д.;
• нанотехнология — исследование и изготовка приборных структур нанометрового размера;
• исследование макромолекул, вирусов и других био структур.

На рисунке 4.6 представлено изображение «квантового кораллового рифа” поперечником 14,3 нм, сформированного атомами Fe на кристалле Cu.

Рис. 4.6 Двумерная квантовая яма (электрические потенциальные поверхности).

Необходимо подчеркнуть, что способности СТМ выходят далековато за рамки чисто микроскопичных задач. С его помощью, к примеру, можно вынудить атомы передвигаться повдоль поверхности и собирать из их искусственные структуры нанометровых размеров.

Рис. 4.7 Микро-механическая сборка в СТМ (молекулы СО на платине).

Рис. 4.8 Микро-механическая сборка в СТМ (атомы ксенона на никеле).

Такие способности СТМ делают его многообещающим инвентарем при разработке и разработке нанотехники грядущего поколения, к примеру, квантового компьютера . Сканирующий туннельный микроскоп явился макетом целого семейства более совершенных сканирующих микроскопов.

На базе СТМ был сотворен сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ), который позволяет изучить непроводящие вещества, микроскоп на магнитных силах, дающий возможность учить магнитные характеристики поверхности.

Все произнесенное выше о СТМ позволяет сделать последующее заключение: «Принцип деяния СТМ так прост, а потенциальные способности так значительны, что нереально предсказать его воздействие на науку и технику даже наиблежайшего грядущего».

В связи с этим неоспоримым достижением стало открытие 1982 году (момент опубликования в Phys. Rev. Lett.) Генрихом Рорером и Гердом Биннигом метода сканирующей туннельной микроскопии, которая положила начало развитию сканирующей зондовой микроскопии. Работая над микроскопическими исследованиями роста и электрических свойств тонких диэлектрических слоев в лаборатории IBM в Рюмликоне в Швейцарии, авторы думали использовать туннельную спектроскопию. В то время были известны работы Янга о полевом излучающем микроскопе, Томпсона по туннелированию в вакууме с управляемым остриём, так что мысль о способности измерения с помощью эффекта туннелирования не только спектроскопических свойств поверхности, но и её рельефа, была основана на трудах немалого количества исследователей.

И вот когда авторы получили атомное изображение давно волновавшей всех поверхности кремния с периодом 7 на 7, -- в 1986 году мир отметил их Нобелевской премией. Множество трудностей, которые усложняли исследование образцов в СТМ, побудили к 1986 году разработать их первый атомно-силовой микроскоп, который мог использовать те самые силы взаимодействия между образцом и остриём, которые так мешали в случае СТМ. Атомно-силовой микроскоп позволял проводить измерения не только в вакууме, но и в атмосфере, заранее заданном газе и даже сквозь плёнку жидкости, что стало несомненным успехом для развития биологической микроскопии. Так было положено начало эры сканирующей зондовой микроскопии. Вскоре была представлена микроскопия ближнего поля, которая задействовала оптические волны для разрешения объектов до 10 ангстремм.

Преимущества и недостатки сканирующей зондовой микроскопии по отношению к другим методам диагностики поверхности

Перемещаясь в плоскости образца над поверхностью, «кантилевер» изгибается, отслеживая ее рельеф. Однако при сканировании образца в контактном режиме поверхность образца частично повреждается, а разрешение метода оказывается достаточно низким. Разработка методов полуконтактного и бесконтактного сканирования, когда, зонд входит в контакт с поверхностью только в нижней точке траектории собственных резонансных колебаний или не входит в контакт вообще, позволили увеличить разрешение АСМ, значительно снизив давление на образец со стороны зонда. Для регистрации отклонения «кантилевера» предложены различные системы, основанные на использовании емкостных датчиков, интерферометров, систем отклонения светового луча или пьезоэлектрических датчиков. В современных приборах угол изгиба «кантилевера» регистрируется с помощью лазера, луч которого отражается от внешней стороны консоли и падает на фотодиодный секторный датчик (Рис.2). Система обратной связи отслеживает изменение сигнала на фотодетекторе и управляет «системой нанопозицонирования». Использование «пьезодвигателей» и атомно-острых зондов позволяет добиться атомного разрешения АСМ в высоком вакууме (рис. 3).

Помимо непосредственного исследования структуры поверхности методом контактной АСМ, можно регистрировать силы трения и адгезионные силы. В настоящее время разработаны многопроходные методики, при которых регистрируется не только топография, но и электростатическое или магнитное взаимодействие зонда с образцом. С помощью этих методик удается определять магнитную и электронную структуру поверхности, строить распределения поверхностного потенциала и электрической емкости, и т.д. (рис. 3). Для этого используют специальные «кантилеверы» с магнитными или проводящими покрытиями. АСМ также применяются для модификации поверхности. Используя жесткие зонды, можно делать гравировку и проводить «наночеканку» - выдавливать на поверхности крошечные рисунки. Применение жидкостной атомно-силовой микроскопии позволяет локально проводить электрохимические реакции, прикладывая потенциал между зондом и проводящей поверхностью (рис. 2), а также открывает возможность применения АСМ для исследования биологических объектов (рис. 4).

Необходимо было решить множество технических проблем: как избежать механических вибраций, приводящих к столкновению острия с поверхностью (мягкая подвеска), какие силы действуют между образцом и остриём (к созданию АСМ), как перемещать остриё с такой высокой точностью (пьезоэлектрик), как приводить образец и остриё в контакт (специальный держатель), как избежать тепловых флуктуаций (использование не нитевидных кристаллов с большими упругими константами, низкие темепературы), форма острия и её получение (на поверхности основного острия существуют миниострия -- сначала использовались они, потом с помощью самого процесса туннелирования -- сильное вакуумное электрическое поле при напряжении всего лишь несколько вольт вызвало миграцию ионов (испарение).

Принципиальным свойством электронной, оптической, ядерной микроскопий является, то что каждая частица, провзаимодействовавшая с образцом, будь то атом или субатомные объекты, является зондом. Однако, у данного метода есть свои минусы и плюсы. Так квантовый принцип неопределённости, гласящий, что определение одновременно импульса и координаты объекта исследования, возможно только с определённой точностью, заставляет увеличивать импульс регистрирующих частиц (энергию), что связано с созданием специальных технологий. Увеличение импульса регистрирующих частиц (например, электроны в ПЭМ достигают энергий до 1000 КэВ) создаёт проблемы с устойчивостью объекта к разрушению. Однако плюсом является тот факт, что одновременно получается информация сразу с относительно большого участка поверхности, что позволяет использовать данный метод для in-situ исследований. Так же главным недостатком данного вида микроскопии можно назвать условие относительного вакуума, для получения более менее качественного изображения.

Атомно-силовая микроскопия позволяет обрабатывать образцы в атмосфере, однако, главным её недостатком является отсутствие одновременной информации о всей поверхности, -- в каждый момент времени мы имеем информацию только от участка непосредственно регистрируюемого зондом. Это не позволяет использовать in-situ методику. Атомно-силовая микроскопия позволяет получать информацию о поверхностном заряде, о поверхностной емкости, о поверхностной проводимости, о магнитных свойствах. Позволяет измерять эти параметры даже сквозь плёнку жидкости .

Режимы сканирования

Существуют контактный, безконтактный и полуконтактный или резонансный режимы сканирования поверхности.

Контактный метод заключается в том, что кантилевер непосредственно касается поверхности и повторяет её форму по мере прохождения поверхности.

Бесконтактный и полуконтактный режим характеризуются дополнительным условием сканирования, которое позволяет осуществить более щадящее и более тонкое сканирование поверхности. Кантилевер жестко связывается с отдельным пъезоэлементом и колеблется со своей резонансной частотой. При взаимодействии с поверхностью сбивается фаза, и специальный синхронный детектор старается выровнять частоту с помощью сигнала обратной связи. Таким образом, теперь детектируется кроме отклонения амплитудного также отклонение фазовое. В этом режиме кантилевер как бы постукивает по поверхности.

Основные моды работы:

1. Контактная мода.

Топография. F=const.

Измерение сил. Z=const.

Измерение сил трения.

Измерение локальной жесткости (модуляционная методика).

Измерение сопротивления растекания.

Резонансная мода.

Топография.

Фазовый контраст.

Магнито-силовая микроскопия.

Электристатическо-силовая микроскопия.

2. Бесконтактная мода.

Литография.

Механическая.

Электрическая.

Достижения в мире АСМ

Сканирующая туннельная микроскопия

Исторически первым в семействе зондовых микроскопов появился сканирующий туннельный микроскоп. Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле.

Рис. 22. Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер в туннельном микроскопе

В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояния в несколько ангстрем. Туннельный ток от расстояния зависит экспоненциально, что позволяет осуществлять регулирование расстояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. СТМ представляет собой электромеханическую систему с отрицательной обратной связью. Система обратной связи поддерживает величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне (I 0), выбираемом оператором. Контроль величины туннельного тока, а следовательно, и расстояния зонд-поверхность осуществляется посредством перемещения зонда вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента (рис. 42).

Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя методами. По методу постоянного туннельного тока (рис. 23 (а)) зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжения на Z - электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции Z = f (x,y ), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

Рис. 23. Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния (б)

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности по методу постоянной высоты Z = const . В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (рис. 23 (б)). 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 реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений.

Итак, разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает в СТМ 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. Атом, выступающий 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.

Рис. 24. 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.

Зонды для туннельных микроскопов

В сканирующих туннельных микроскопах используются зонды нескольких типов. В первое время широкое распространение получили зонды, приготовленные из вольфрамовой проволоки методом электрохимического травления. Процесс приготовления СТМ зондов по данной технологии выглядит следующим образом. Заготовка из вольфрамовой проволоки укрепляется так, чтобы один из ее концов проходил сквозь проводящую диафрагму (Д) и погружался в водный раствор щелочи КОН (рис. 25). Контакт между диафрагмой и вольфрамовой проволокой осуществляется посредством капли КОН, расположенной в отверстии диафрагмы.

Рис. 45. Схема изготовления СТМ зондов из вольфрамовой проволоки с помощью электрохимического травления.

При пропускании электрического тока между диафрагмой и электродом, расположенным в растворе КОН, происходит перетравливание заготовки. По мере травления толщина перетравливаемой области становится настолько малой, что происходит разрыв заготовки за счет веса нижней части. При этом нижняя часть падает, что автоматически разрывает электрическую цепь и останавливает процесс травления.

Другая широко применяемая методика приготовления СТМ зондов – перерезание тонкой проволоки из PtIr сплава с помощью обыкновенных ножниц. Перерезание производится под углом порядка 45 градусов с одновременным натяжением P проволоки на разрыв (рис. 26).

Рис. 26. Схематичное изображение процесса формирования СТМ острия при перерезании проволоки из PtIr сплава.

Процесс формирования острия в этом случае отчасти сходен с процессом изготовления острия из вольфрама. При перерезании происходит пластическая деформация проволоки в месте резки и обрыв ее под действием растягивающего усилия. В результате в месте разреза формируется вытянутое острие с неровным краем с многочисленными выступами, один из которых и оказывается рабочим элементом зонда. Данная технология изготовления СТМ зондов применяется сейчас практически во всех лабораториях и почти всегда обеспечивает гарантированное атомарное разрешение при СТМ исследованиях поверхности.

Измерение локальной работы выхода в СТМ

Для неоднородных образцов туннельный ток является не только функцией расстояния от зонда до образца, но и зависит от значения локальной работы выхода электронов в данном месте поверхности. Для получения информации о распределении работы выхода применяется метод модуляции расстояния зонд-образец ΔZ . С этой целью в процессе сканирования к управляющему напряжению на Z-электроде сканера добавляется переменное напряжение с внешнего генератора на частоте ω . Тогда напряжение на Z-электроде сканера можно представить в виде

Это приводит к тому, что расстояние зонд - образец оказывается промодулированным на частоте ω :

где ΔZ m и U m связаны между собой через коэффициент электромеханической связи пьезосканера K .