1 Теоретическая часть

1.1 Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно прост, но кардинально отличается от всех предшествующих методик, применявшихся в физике поверхности. Тонкое металлическое острие, смонтированное на электромеханическом приводе (X, Y, Z-позиционере), служит зондом для исследования участков поверхности образца (рисунок 1). Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние   , то при приложении между острием и образцом небольшого (от 0,01 до 10 В) напряжения смещения Vs через вакуумный промежуток   начинает протекать туннельный ток It порядка 10-9  . Полагая, что электронные состояния (орбитали) локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении X и / или Y с одновременным измерением выходного сигнала в цепи Z можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне. Эта структура может быть отображена в двух режимах: измеряя туннельный ток и поддерживая расстояние   от острия до поверхности образца или измеряя изменения в положении острия (то есть расстояние до поверхности образца) при постоянном туннельном токе (второй режим используется чаще).

Рисунок 1 - принцип действия СТМ: рx , рy , рz - пьезоэлементы Рисунок 2 - схема, иллюстрирующая работу СТМ Туннельный ток, возникающий при приложении напряжения Vs , поддерживается постоянным за счет цепи обратной связи, которая управляет положением острия с помощью пьезоэлемента рz . Запись осциллограммы напряжения Vz в цепи обратной связи при одновременном воздействии пилообразного напряжения развертки вдоль осей x и y образует туннельное изображение, являющееся своего рода репликой поверхности образцаХ [1].

1.2 Классификация сканирующего туннельного микроскопа

Все сканирующие туннельные микроскопы можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные сканирующие туннельные микроскопы.

1.2.1 Стм, работающий на воздухе

Туннельная микроскопия уже давно вошла в научный арсенал как один из прецизионных инструментов для изучения наноструктуры поверхности проводящих материалов. В то же время двадцатилетний опыт использования сканирующих туннельных микроскопов (СТМ) однозначно показал, что при работе на воздухе (ex situ) или в растворе (in situ) поведение зазора СТМ невозможно описать соотношениями для случая туннелирования электрона в вакууме. Например, высота туннельного барьера, формально оцениваемая из данных туннельно-спектроскопических измерений на воздухе по формулам для вакуумного туннельного зазора , на несколько порядков ниже, чем та же величина, получаемая при измерениях в вакууме. В то же время реально достигаемое разрешение при работе СТМ на воздухе, как правило, значительно ниже, чем в вакууме и даже в растворе.

Специфика работы ex situ СТМ определяется формированием в зазоре тонкого слоя конденсированной влаги, фактически представляющей собой электролит неопределенного состава. В некоторых случаях конденсат на поверхности удается наблюдать экспериментально . При подводе зонд СТМ, как правило, погружается в такой слой, и ток, протекающий в зазоре, имеет электрохимическую природу. В результате при тех же заданных значениях тока в конфигурации ex situ СТМ расстояние зонд-образец оказывается значительно больше, чем в вакуумных (или низкотемпературных) СТМ. Соответственно, существенно ослабевает локальность процесса переноса электрона, что приводит к значительному снижению достигаемого разрешения и четкости (контраста) получаемых СТМ-изображений.  Вполне очевидно, что при оптимизации условий туннельно-микроскопических измерений на воздухе необходимо принимать во внимание природу электрохимических процессов в каждой конкретной системе: наряду с влиянием на качество топографических данных протекание таких процессов может приводить к трансформации участков поверхности под зондом. Особенно сильно эффекты локальных электрохимических процессов проявляются при работе с неметаллическими образцами (оксидные материалы, композиционные материалы на их основе) и образцами, полученными путем синтеза в растворах электролитов.  Созданию количественного описания процессов переноса электрона в условиях туннельно-микроскопических измерений на воздухе препятствуют как неопределенность состава и толщины слоя конденсата на поверхности, так и невозможность контроля электродных потенциалов зонда и образца. Последнее обстоятельство не позволяет использовать теорию, развитую для электрохимического in situ СТМ , при работе которого потенциалы электродов можно непосредственно контролировать. Поэтому на данном этапе востребованы экспериментальные приемы, позволяющие как минимум сравнивать на качественном уровне специфику электрохимических процессов в зазоре ex situ СТМ для различных образцов и режимов сканирования. Ранее была предложена новая методика измерения спектров в конфигурации СТМ (вольт-высотные зависимости), форма которых очень чувствительна к природе электрохимических процессов в зазоре. Такие спектры позволяют оценивать расстояние между зондом и образцом в процессе измерений [2].