Технические возможности сканирующего туннельного микроскопа

Основными техническими характеристиками СТМ являются разрешение по нормали к исследуемой поверхности объекта и разрешение в плоскости XY.

Высокое разрешение СТМ по нормали к поверхности (z  0,01 нм) определяется крутой экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния между объектом и зондом – см. формулы (1) и (2), а в плоскости xy объекта – с диаметром пучка электронов (см. рис. 1), т.е., прежде всего, – качеством острия зонда и шагом сканирования в этой плоскости.

Для вольфрамовых зондов, используя технологию химического травления, можно сформировать на конце острия лишь один атом и при многократном прохождении зонда с шагом сканирования примерно 0,02 нм достигнуть разрешения около 0,03 нм (размеры атомов) в плоскости XY объекта.

Реальное разрешение СТМ зависит от ряда факторов, основными из которых являются внешние вибрации, акустические шумы и качество приготовления зондов. СММ-2000Т - прибор, наиболее оптимизированный для широкого применения. Достижение атомного разрешения на нем возможно, но сопровождается затратами, уровень которых может быть выше, чем для специально ориентированных на атомное разрешение микроскопов, и в особенности высоковакуумных моделей СТМ.

В обычных (не виброзащищённых) лабораторных помещениях на микроскопе СММ-2000Т при использовании в качестве зондов платиновых игл легко реализуется уровень разрешения в 1 нм по плоскости xy и 0,5 нм по высотам рельефа образца.

На рис. 5 показана структура свежего скола по кристаллографической плоскости (0001) высокоориентированного пиролитического графита (HOPG), полученная с помощью СММ-2000Т, при установке его в помещениях с различными уровнями внешних воздействий. В этом случае был использован графит, поскольку на воздухе поверхность без оксидных плёнок и адсорбированных слоёв можно получить только для свежеприготовленного образца из инертных материалов. Поле сканирования составляло 2,5 нм  2 нм.

Изображения структур на рис. 5, а, б, в получены в условиях низкого, среднего и высокого уровней помех с вибрациями примерно 40, 60 и 80 дБ и акустическими шумами в 20, 40 и 60 дБ соответственно.

Рис. 5. Изображение структуры поверхности свежего скола по кристаллографической плоскости (0001) высокоориентированного пиролитического графита при разных уровнях помех а, б, в.

Изображение структуры на рис. 5,а получено в условиях, когда на трёхметровых виброгасящих пружинах подвешена плита массой в 50 кг, на которой стоит головка микроскопа, закрытая специальной крышкой для погашения внешних акустических шумов и электромагнитных наводок, а также для пассивной стабилизации температуры находящейся внутри неё головки. Разрешение в этом случае составило 0,03 нм в плоскости xy и 0,02 нм по оси z.

Изображение структуры на рис. 5,б зафиксировано в условиях лаборатории для проведения голографических экспериментов с наличием виброизолирующего голографического стола. Было достигнуто разрешение 0,1 нм по осям X, Y и Z.

Изображение структуры на рис. 5,в получено в обычных лабораторных условиях, то есть при высоких уровнях помех. Достигнутое разрешение имеет минимальные значения: 0,8 нм в плоскости XY и 0,3 нм по нормали к ней (ось Z).

Помимо разрешения микроскопа его важной характеристикой является полезное увеличение. Оно определяется как

N=d_г /d_м,  (4)

где d_г – разрешение глаза, равное 200 мкм, d_м – максимальное разрешение микроскопа в плоскости XY, равное 0,03 нм.

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). Микроскоп СММ-2000Т оснащён сканером с широким полем (20 20 мкм) и перемещением по оси z до 2 мкм, что позволяет наблюдать крупные участки структуры при небольших увеличениях (приблизительно от 5000), а затем, уменьшая поле сканирования, исследовать требуемый участок при больших увеличениях (до 7 млн). В настоящее время разрабатываются широкопольные сканеры с возможностью сканирования по площади 250  250 мкм, что позволит сравнивать изображения структур, полученные с помощью СТМ и обычного оптического микроскопа.

К техническим характеристикам микроскопа относится также диапазон задаваемого напряжения U между зондом и поверхностью образца, который составляет от –10 В до + 10 В с шагом изменения 5мВ. Поддерживаемый туннельный ток можно менять от 0,01 до 160 нА с точностью до 0,1%, что позволяет исследовать объекты с разной проводимостью. Потребляемая мощность микроскопа – 12 Вт, сканера – 0,2 Вт.

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

Туннелирование электронов происходит с занятых энергетических уровней атомов, расположенных на острие иглы, на свободные энергетические уровни атомов на поверхности объекта (при обратной полярности потенциала туннелирование идёт из объекта). По значению разности потенциалов между иглой и образцом определяют, электроны какого энергетического уровня атомов иглы будут туннелировать и на какой энергетический уровень атомов объекта.

Значит, при заданной разности потенциалов туннельный ток определяется плотностью электронных состояний иглы и объекта. Изменяя разность потенциалов и измеряя одновременно туннельный ток, можно определить плотность электронов на различных энергетических уровнях, т.е. построить энергетический спектр иглы.

Осуществляют это следующим образом. После фиксации зонда над определённой точкой поверхности с заданным значением туннельного тока быстро меняют напряжение (развёртка), приложенное между объектом и зондом в заданном диапазоне, в том числе с переходом из одной полярности в другую. При этом измеряют величину туннельного тока и строят вольтамперную характеристику (ВАХ) туннельного перехода: I_т=f(U). На самом деле игла вибрирует с какой-то амплитудой и частотой относительно объекта вследствие действия на головку микроскопа внешних вибраций. Поэтому для уменьшения погрешностей при съёмке ВАХ необходима высокая быстрота развёртки.

Характер изменения зависимости I_т=f(U) и её дифференцирование dI_т/dU позволяют найти распределение энергетических уровней электронов с атомарным разрешением. Это даёт возможность судить о типе проводимости, в частности, для полупроводников – установить валентную зону, зону проводимости, примесную зону. Кроме того, можно определить химический тип связи между атомами поверхности объекта и, что наиболее практически важно, – химический состав поверхностного слоя объекта (СТМ-спектроскопия). Для реализации СТМ-спектроскопии требуется сведения до минимума уровня помех, т.е. проведение исследований в специальных виброзащищённых помещениях.