Основные» принципы ст микроскопии

Рассмотрим туннельный эффект применительно к сканирующей туннельной микроскопии (СТ микроскопия). Сама идея использования туннельного эффекта для зондирования поверхности достаточно проста. Тонкое металлическое острие (зонд) подводится к проводящей поверхности (рис. 1.4, а). Между ней и зондом существует небольшое напря­жение (от 0,01 до 10 В). Благодаря туннельному эффекту, ток в цепи будет идти даже при отсутствии полного контакта зонда с поверхностью. Чем меньше зазор (потенциальный барьер) между зондом и поверхностью, тем больше туннельный ток (рис. 1.4, б). Вначале, с помощью системы грубого позиционирования, зонд подводится на расстояние около 10 А, что позволяет зафиксировать силу туннельного тока порядка 10^-9 ампер. При даль­нейшем приближении зонда к поверхности туннельный ток резко возрастает. Высокая точность измерений ширины зазора между зондом и поверхностью определяется экспоненциальной зависимостью силы туннельного тока от расстояния (изменение зазора на 1А приводит к увеличению силы тока примерно в 10 раз). Следовательно, перемещая зонд горизонтально над поверхностью, можно по силе тока получить данные по ее топографии. Другой возможный режим работы - проводить зонд над поверхностью так, чтобы сохранялась величина туннельного тока. Для этого надо зонд с помощью компьютерной программы соответственно опускать и приподнимать над поверхностью, тем самым фиксируя ее топографию.

Рис. 1.4. а - схема работы сканирующего туннельного микроскопа; б - график зависимости высоты скани­руемой поверхности и силы туннельного тока I от координаты

Д ля реализации этой идеи следовало решить ряд сложных технических проблем. Прежде всего, перемещение зонда по вертикальной оси Z, так же как сканирование поверхности (перемещение по осям X и У), и будет уникальной точности. Это стало возможным только после создания в 1966 г. специальных пьезодвигателей с обратной связью (Р. Янг). Пьезодвигатели позволяют перемещать зонд горизонтально на расстоянии от долей ангстрема до одного микрона, а по верти-Шли в рабочем режиме, когда уже зафиксирован туннельный ток, примерно на 0,1 А. Напомним, что среднее расстояние между атомами в кристалле составляет

Далее - прибор следует обезопасить от вибраций Современные сканирующие микроскопы имеют осо-WK) подвеску) и электромагнитных наводок.

И наконец, очень важно выдержать точную форму зонда, тем более что радиус его закругления на конце должен быть нанометровым, часто он заканчивается единичным атомом. При этом локальные электрические поля под зондом сравнимы по величине с внутриатомными.

В ноябре 1978 г. сотрудники швейцарского отделения компании «IBM» Г. Биннинг и Г. Рорер начали работу над прибором и в марте 1981 г. продемонстрировали его результативность. СТМ позволял «видеть» отдельные атомы. На рисунке 1.5 приведено знаменитое изображение поверхности кремния, подтвердившее работоспособность СТМ.

Известно, что расположение атомов на поверхности кристалла отличается от их расположения внутри. Внутренние межатомные связи идеального кристалла насыщены, и его структура соответствует наименьшей энергии. На свободной поверхности такое же расположение атомов приводит к возникновению оборванных язей, что делает структуру неравновесной. Поэтому требуется так называемая реконструкция поверхности, когда атомы на поверхности складываются в другой вор», что энергетически выгоднее. До создания СТМ предшествовало много противоречивых моделей структуру поверхности кремния, хотя предварительные данные показали, что в кристаллической ячейке на поверхности содержится 49 атомов. Полученные результаты сделали методику исследования поверхности с помощью СТМ общепризнанной, и создатели Г. Биннинг и Г. Рорер получили в 1986 г. Нобелевскую премию вместе с Э. Руска, создавшим в 30-х гг. несколько приборов - прообразов электронного микроскопа. Это был непривычно короткий срок между открытием и его мировым признанием.

Рис. 1.5. Реконструкция поверхности кремния: а – изображение получено с помощью СТМ Г. Биннингом и Г. Борером; б – схема атомной структуры поверхности (вид сверху, вид сбоку)