Туннельная микроскопия

При наклоне образца пропадает  наблюдаемость глубин рельефных  неровностей. Кроме этого следует  иметь в виду, что весь диапазон возможных высот на изображении часто кодируются весьма малым диапазоном видимых цветов. Поэтому даже при незначительном наклоне рельефа мелкие образования на поверхности образца оказываются плохо различимыми в их цветовом представлении. (Рисунок 5.1).

 

                             а                                                                б

Рис.5.1.Уменьшение отношения перепада высот к размерам нанобъектов.

а - исходное изображение, б – результат вычитания общего наклона.

Рассмотрим в качестве примера срез рельефа поверхности, изображенный на рис. 5.1. а. Перепад высот на изображенном участке достигает 30 нм. Если образование имеет высоту 3 нм, что составляет 1/10 перепада высот исследуемого участка, то, в силу отмеченной выше особенности восприятия глазом используемой раскраски, образование и соседние с ним участки поверхности окажутся целиком окрашены одним цветом, что сделает образование трудно различимым на фоне поверхности. После вычитания из измерений рельефа поверхности общего наклона, перепад высот уменьшится в 3 раза.

2) Искажения, связанные с построчным сканированием. Процесс сканирования поверхности в СТМ происходит в условиях присутствия позиционного шума пьезопривода, который проявляется в случайных отклонениях измерений рельефа в соседних строках.

3) Также появляется дополнительное ограничение, связанное с тем, что зонд не находится в контакте с поверхностью. Туннельный зазор варьируется в виду ошибок работы следящей системы и упомянутого окисления поверхности образца. Это приводит к ошибкам определения модельной точки контакта иглы с поверхностью исследуемого образца.

6. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ С ПОМОЩЬЮ СТМ

Этот метод начал использоваться в научных исследованиях сравнительно недавно, но уже сейчас области его  применения довольно разнообразны. Они  могут быть представлены следующим  образом.

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.

Визуализация атомарной  структуры различных поверхностей, находящихся в атмосфере воздуха  ограничена рядом факторов: неплоскостность  поверхности на масштабах области  сканирования, связанная с низким качеством полировки; насыщение  поверхностных состояний молекулами и атомами из воздуха, в частности, наличие естественного оксида у  большинства полупроводников. Вследствие этого, основными поверхностями, используемыми в туннельной зондовой микроскопии в качестве подложек-носителей, являются поверхности высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ) и тонкие пленки атомарно гладкого золота. В результате, варьируя приложенное напряжение между зон дом СТМ и подложкой важно добиться изображения как суперпозиции верхнего и следующего за ним слоя, так и исключительно верхнего. При этом наблюдается периодичность в зависимости визуализации количества слоев от приложенного напряжения. На рисунке 6.1 показана структура поверхности ВОПГ, полученная при двух значениях потенциала на зонде (подложка заземлена).

                                      

                    а)                                                                              б)

Рис.6.1 . СТМ-изображение  поверхности ВОПГ: а – изображение  суперпозиции атомов двух верхних графитовых слоев; б – изображение атомарной  структуры верхнего слоя.

Однако дальнейшее повышение  напряжения, и туннельного тока может  привести к необратимой модификации  поверхности (рис.6. 2).

Рис. 6.2. СТМ-изображение  ВОПГ после его модификации при  воздействии потенциалом 4 В в  течении 250 мсек. Размер кадра 0,2х0,2 мкм.

 

2. Нанометрия – исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности образца. Кроме того, туннельная спектроскопия позволяет определять электрические свойства изучаемых нанообъектов по их вольтамперным характеристикам. Например, применение сканирующей туннельной спектроскопии для определения типа проводимости нанотрубок, находящихся в одном пучке (рисунок 6.3.)

Рис. 6.3. Изображение  СТМ-изображения атомной структуры  пучка углеродных нанотрубок.

3. Исследование биологических объектов. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) открыла новые возможности в исследовании клеток, бактерий, биологических молекул, ДНК. СЗМ позволяет исследовать биологические объекты без специальных фиксаторов и красителей, на воздухе, или даже в жидкой среде. Например, исследование с помощью СТМ ленгмюровских (Ленгмюра-Блоджетт-ЛБ) пленок антител и ферментов на основе амфифильных полиэлектролитов (АПЭ). В результате были получены изображения адсорбированных на пирографит белковых молекул, входящих в состав пленок. (Рисунок 6.4.)

Рис.6.4. СТМ- изображение молекулы антитела. А) γ-конформация; б)Т-конформация.

Также были получены и изображения  молекулы глюкозооксидазы (рисунок 6.5.)

Рис. 6.5.СТМ- изображение молекулы глюкозооксидазы.

Тем самым СТМ методика позволила  различать белковые молекулы и их конформации.

4. Запись и воспроизведение информации.

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

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 Одним из самых современных методов исследования свойств поверхности является метод сканирующей туннельной микроскопии. 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.

С каждым годом его возможности  расширяются, что, несомненно, связано  с развитием нанотехнологий, а модель самого микроскопа модернизируется.

Кроме того, существует тенденция в совмещении сканирующих микроскопов, что позволяет улучшить количество получаемой информации об исследуемом объекте.

Таким образом, с  момента своего изобретения СТМ широко используются учеными самых разных специальностей, охватывающих многие естественнонаучные дисциплины, начиная от фундаментальных исследований в области физики, химии, биологии и до конкретных технологических приложений. Принцип действия СТМ прост, а потенциальные возможности его велики, и невозможно предсказать его воздействие на науку и технику в ближайшем будущем.

 

 

 

 

 

 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

1. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Российская академия наук, Институт физики микроструктур: учебное пособие.- Нижний Новгород, 2004.-114с.

2. Карташев В.В. Алгоритмическое и программное обеспечение комплексов для зондовой микроскопии: диссертация.- Москва, 2010.-122с.

 

3. Скуратович А.Г.  Электронная  и туннельная микроскопия. Национальный  исследовательский ядерный институт (МИФИ): реферат.- Москва, 2012.-27с.

4. Бахтизин Р.З. Сканирующая туннельная микроскопия - новый метод изучения поверхности твердых тел. Башкирский государтсвенный университет : Соросовский образовательный журнал , том 6, №11.- Уфа, 2000.- 7с.

5. Дедкова Е.Г., Чуприк А.А., Бобринецкий И.И., Неволин В.К. Приборы и методы зондовой микроскопии. Московский физико-технический университет: учебное пособие.- Москва,2011.-160с.

6. Павельев А.Б. , Курочкин  И.Н., Чернов С.Ф. Исследование  методом СТМ ленгмюровских пленок  антител и ферментов, полученных  на основе амфифильных электролитов. Всероссийский научный центр  молекулярной диагностики и лечения.- Москва, 1998.- 7с.