Технические возможности сканирующего туннельного микроскопа (стм)
Основными техническими характеристиками являются:
1) Разрешение по нормали к исследуемой поверхности объекта
2) Разрешение в плоскости XY, т.е. в плоскости поверхности объекта
Высокое
разрешение СТМ по нормали к поверхности
объекта порядка 0.01 нм. Определяется
крутой экспоненциальной зависимостью
туннельного тока от расстояния между
объектом и зондом. В плоскости XY
высокое разрешение обеспечивается
диаметром пучка электронов туннельного
тока, который, в свою очередь, зависит
от степени заточки иглы зонда. При
многократном прохождении зонда с
шагом≈0.02 нм разрешение в плоскости XY
может достигать 0.03 нм. Реальное разрешение
СТМ зависит от множества факторов,
главными из которых являются: внешние
вибрации, акустические шумы, качество
зондов. Помимо разрешения микроскопа,
важнейшей характеристикой является
т.н. полезное увеличение
,
где
dГ=200
мкм (разрешение глаза), dМ
- максимальное разрешение микроскопа.
dМ
=0.03 нм (для СТМ). Т.о.
раз. Для сравнения: у лучших оптических
микроскопов
раз
Другие важные характеристики СТМ:
-
Максимальный размер поля сканирования
1x1
мкм.
-Максимальное перемещение зонда по OZ (в процессе измерения) почти не превышает 1 мкм.
В
принципе современные микроскопы могут
обеспечивать поле сканирования до
нескольких сотен
,
но при этом ухудшается точность. Помимо
измерения профиля поверхности и создания
её визуальной модели, СТМ позволяет
судить о типе электропроводности
материала (для п/п), установить параметры
валентной зоны ВЗ, зоны проводимости
ЗП, энергетические характеристики
примесей ( т.е. определить положение
примесных уровней). Определить химический
тип связи между атомами поверхности
объекта; определить химический состав
поверхности объекта или поверхностного
слоя – т.н. СТМ спектроскопия.
Атомно-силовой микорскоп (сканирующий силовой микроскоп) асм.
Отличие от СТМ заключается в том, что зонды (кантилеверы) взаимодействуют с исследуемой поверхностью не электрическим путем, а силовым.
Зависимость силы
двух атомов от расстояния. Сила
отталкивания возрастает в
.
Совместить два атома в одной точке
пространства принципиально невозможно.
Игла кантилевера касается поверхности объекта и отталкивается этой поверхностью, когда приближается на расстояние межатомарного взаимодействия. Колебания зонда кантилевера преобразуются в электрические сигналы различными способами (самый простейший – оптический способ). Оптический способ:
Этот сигнал имеет в себе информацию о высоте. На которую опустился кантилевер на конкретном шаге измерения. Информация о перемещении в плоскости XY фиксируется от механизмов перемещения этой исследуемой плоскости.
Помимо оптических методов преобразования могут быть использованы емкостные или туннельные сенсоры, т.к. между исследуемым объектом и зондом (в режим е АСМ микроскопии), то АСМ может исследовать не только проводящие объекты, но и диэлектрические. Требования к объекту – он должен быть гладкий (чтобы не было больших перепадов высот) и твердый (газообразный и жидкий объекты нет смысла исследовать).
Разрешающая способность АСМ напрямую зависит от качества заточки зонда.
Основные технические сложности данного вида микроскопии:
1) Сложность изготовления зонда, заостренного до размеров одного атома.
2) Обеспечение механической. В том числе. Тепловой и вибрационной стабильности на уровне лучше 0.1 Å.
3) Создание детектора. Способного регистрировать столь малые перемещения.
4) Создание системы развертки с шагом в доли Å.
5) Обеспечение плавного сближения иглы зонда с поверхностью.
В сравнении с растровым электронным микроскопом РЭМ, АСМ обладает рядом преимуществ:
1) АСМ позволяет получить истинно трехмерный рельеф поверхности, у РЭМ 2D изображение
2) Непроводящая поверхность, рассматриваемая с помощью АСМ не требует нанесения металлического слоя.
3) Для нормальной работы РЭМ требуется вакуум, для АСМ вакуум не требуется.
4) АСМ потенциально может дать более высокое разрешение, чем РЭМ Недостатками АСМ можно считать:
1) Небольшой размер поля сканирования (по сравнению с РЭМ).
2) Жесткие требования к размеру вертикальных перепадов высот сканируемой поверхности. В РЭМ напильник увидим, в АСМ – нет.
3) Жесткие требования к геометрии зонда. Который очень легко повредить.
4) Практическая неустранимость искажений. Которые вносит тепловое движение атомов исследуемой поверхности. Этот недостаток можно было бы искоренить в том случае, если бы скорость сканирования превышала скорость теплового движения молекул, т.е. в каждый момент времени картина уже другая.
Все эти проблемы так или иначе компенсируются за счет программной обработки результатов измерения, однако, следует помнить, что то, что мы видим на экране компьютера – не реальная поверхность, а модель, и степень достоверности модели – под вопросом.
В настоящее время сканирующие зондовые микроскопы СТМ и АСМ нашли широкое применение во всех областях науки ( в физике, химии, биологии, в материаловедении).