Сканирующая туннельная микроскопия - новый метод изучения поверхности твердых тел

Карельский Государственный Педагогический Университет

 

Сканирующая туннельная микроскопия

 

Выполнил: Лукьянов И.

553 гр. (2006 г.)

 

Сканирующая туннельная микроскопия - новый метод изучения поверхности твердых тел.

 

СКАНИРУЮЩАЯ ТУННЕЛЬНАЯ МИКРОСКОПИЯ - метод исследования структуры пов-сти  твердых тел, позволяющий четко визуализировать на ней взаимное расположение отдельных  атомов; основана на туннельном эффекте

Первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) был создан сравнительно недавно, в 1982 году. Тем не менее, в настоящее время он нашёл применение во многих научных и производственных лабораториях, и область его использования продолжает интенсивно расширяться.Интерес к СТМ объясняется его уникальным разрешением, позволяющим проводить исследования на атомном уровне. При этом для работы микроскопа не требуется высокий вакуум, в отличии от электронных микроскопов других типов. Он может работать на воздухе и даже в жидкой среде.Применение СТМ позволяет выявить особенности кристаллического строения поверхности различных материалов, её шероховатость с нанометровым разрешением, наблюдать закономерности зародышеобразования при выращивании плёнок, изучать вирусы, молекулы ДНК и т.д.

Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа

По своей природе электрон обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Его поведение описывается с помощью решения уравнения Шрёдингера – 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:

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 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.

На практике явление туннелирования в СТМ реализуется, когда один из проводников представляет собой иглу (зонд) 1, а другой – поверхность исследуемого объекта 3 (рис. 1).

Рис. 1. Схема протекания туннельного тока между зондом и объектом: 1 - зонд; 2 – пучок электронов; 3 – объект (образец); U – разность потенциалов между зондом и объектом; IТ – туннельный ток; L – расстояние между зондом и объектом; F – площадь туннельного контакта

Электронам проводимости на острие зонда 1 необходимо получить определенную энергию, чтобы перейти в зону проводимости объекта 3. Величина этой энергии зависит от расстояния между зондом и поверхностью объекта L, разности потенциалов между ними U и величинами работы выхода электронов F1 и F2 с поверхности зонда и поверхности исследуемого объекта соответственно.

Сканирующий туннельный микроскоп функционирует следующим образом (рис. 2).

Рис. 2. 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. При сканировании зонд остаётся на одном и том же расстоянии L от поверхности образца. Вертикальное перемещение зонда для сохранения расстояния L прямо 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 её 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.

Устройство сканирующего туннельного микроскопа

Первый прибор был создан в 1982 году сотрудниками исследовательской лаборатории фирмы IBM в Рюшликоне (Швейцария). За создание прибора Герду Биннингу (Швейцария) и Генриху Рореру (Германия) в 1986 году была присуждена Нобелевская премия [1].

Блок-схема СТМ, работающего в режиме постоянного туннельного тока, представлена на рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема сканирующего туннельного микроскопа:1 – двигатели для перемещения зонда по осям X, Y, Z; 2 – двигатель для перемещения объекта по оси Z; Ux, Uy, Uz, - напряжения, подаваемые на двигатели 1; Uz’ – напряжение, подаваемое на двигатель 2; U – разность потенциалов между зондом и объектом; Iт – туннельный ток

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.

Электронные устройства, используемые в СТМ, традиционны, и вся специфика прибора в основном связана с конструкцией двигателей перемещения зонда и образца. Требования для СТМ:.

Во-первых, 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.

Во-вторых, задаваемые перемещения должны быть воспроизводимы и, по возможности, линейно зависеть от управляющего напряжения.

В-третьих, учитывая, что даже в термоскомпенсированной конструкции локальные источники тепла приводят к изменению температуры по направлению (появлению градиента температур) и вызывают искажения линейных размеров деталей конструкции микроскопа, необходимо уменьшать мощность управляющих сигналов.

Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют двигатели из пьезокерамики, обладающей высоким коэффициентом преобразования электрической энергии в механическую (до 40 %).

Пример СТМ модели «СММ-2000Т»:

 

Требования к объектам исследования

К объектам для исследования на СТМ предъявляются два основных требования:

• низкая шероховатость поверхности
• хорошая проводимость материала

СТМ изображения:

 

 

Достоинства СТМ

• сверхвысокое разрешение (атомного порядка, 10-2 нм);
• возможность размещать образец не в вакууме (как в электронных микроскопах), а в обычной воздушной среде при атм. давлении, что особенно важно для изучения гелеобразных и макромолекулярных структур (белков, ДНК, РНК, вирусов).

 

Применение:

Физика и химия поверхности на атомном уровне.

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.

Плотность записи достигает до 1012 бит/см2. Для сравнения: плотность записи на современном накопителе информации, где использован магнитный эффект (магнитные диски), составляет 107 бит/см2, при лазерном воздействии (компакт диски - CD) – до 109 бит/см2.

Исследование биологических объектов – макромолекул (в том числе и молекул ДНК), вирусов и других биологических структур.

СТМ имеет широкие перспективы в области материаловедения - при изучении микро-, суб- и кристаллических структур различных материалов.

 

 

Область применения сканирующих туннельных микроскопов – это в основном физика поверхности твердых тел. При первых же экспериментах по исследованию поверхности золота Au(100), относительно которой было известно, что она испытывает реконструкцию 1*2, было выяснено, что можно наблюдать различные сверхструктуры и ступеньки моноатомной высоты. Это свидетельствовало о разрешении сканирующего туннельного микроскопа порядка нескольких ангстрем, хотя ожидаемым было геометрическое разрешение по плоскости наблюдения не более 45Å. Этот результат показал, что в руках ученых появился уникальный инструмент - сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий наблюдать на поверхности отдельные атомы.

 

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.

Как оказалось в дальнейшем, практически любые взаимодействия острийного зонда с поверхностью (механические, магнитные ...) могут быть преобразованы с помощью соответствующих приборов и компьютерных программ в изображение поверхности. В настоящее время существует уже целое семейство так называемых сканирующих зондовых микроскопов: атомно-силовой, магнитный силовой, ближнего поля - основные характеристики которых (в первую очередь разрешающая способность) вплотную приблизились к характеристикам СТМ. Например, атомно-силовой микроскоп не требует, чтобы образцы были проводящими, и позволяет при этом исследовать структурные и упругие свойства проводников и изоляторов, а также комбинацию изображений электронных и упругих свойств мягких материалов.

Источники:

http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1182775&uri=page2.html

http://lab.bmstu.ru/stm

http://www.mikroskopia.ru/info/30.html

http://www.issep.rssi.ru/

http://e-science.ru/index/?id=4615

http://www.almaden.ibm.com/vis/stm