Сканирующая туннельная микроскопия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белорусский государственный университет

Кафедра «Энергофизики»

Реферат

на тему: Сканирующая туннельная микроскопия

Выполнил:

Чернухо Иван Иванович

Минск - 2013



Содержание

Введение

1. История создания сканирующего туннельного микроскопа

2. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа

3. Устройство сканирующего туннельного микроскопа

4. Технические возможности сканирующего туннельного микроскопа

5. Требования к объектам исследования и методы их подготовки

6. Область использования сканирующей туннельной микроскопии

7. Развитие микроскопии ближнего поля и расширение области ее применения

Список используемых источников

Список используемых обозначений



Введение микроскоп исследование молекула сканер

Физика поверхностных явлений в настоящее время является одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки. Именно на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твердого тела основаны успехи современных микро- и наноэлектроники, гетерогенного катализа, космических технологий и т.п. Исследование электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел, остается актуальной задачей. И заветное желание ученых (и не только ученых) на протяжении многих лет - непосредственное наблюдение за поведением отдельных атомов на поверхности твердого тела и изучение процессов с участием одиночных или небольших групп атомов.

Первостепенное значение для понимания свойств любого объекта имеет знание его атомной структуры, поэтому определение поверхностных структур - один из наиболее важных разделов физики поверхности. Последние 40 лет микроструктура поверхностей твердых тел интенсивно изучалась методами дифракции и рассеяния электронных и ионных пучков, а также электронной спектроскопии. Однако большинство этих методов первоначально разрабатывалось для исследования объемной структуры твердых тел, поэтому они не всегда годятся для получения информации о структуре поверхности, тем более на атомном уровне. Долгое время основным методом исследования структуры поверхностей служил метод дифракции медленных электронов (ДМЭ), с применением которого связан существенный прогресс в развитии науки о поверхности. С помощью ДМЭ была открыта атомная реконструкция поверхностей - существование особого их структурного состояния, отличного от объемного, и обнаружено большое количество специфических фазовых переходов на поверхностях, как чистых, так и покрытых адсорбированными пленками. В методе ДМЭ тонкий коллимированный моноэнергетический пучок электронов низкой (до десятков электронвольт) энергии направляется на поверхность исследуемого кристалла. Так как энергия падающих электронов сравнительно невелика, то они проникают на глубину всего одного-двух атомных слоев, поэтому анализ углового распределения дифракционных рефлексов, образованных рассеянным пучком, дает сведения о расположении атомов в поверхностном слое. Такая информация, однако, методически связана со структурой обратной решетки и оказывается усредненной по относительно большой площади поверхности кристалла.

Справедливости ради следует отметить, что в настоящее время существуют приборы, позволяющие отображать отдельные атомы: полевой ионный микроскоп и просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения, однако оба они имеют существенные ограничения по применимости, связанные со специфическими требованиями к форме образцов. В первом случае образцы должны иметь форму острых игл из проводящего материала с радиусом закругления не более 1000 Е, а во втором - тонких полосок толщиной менее 1000 Е. Первые изображения атомов были получены с помощью полевого ионного микроскопа, изобретенного Э. Мюллером в 1951 году. В этом приборе игольчатый образец, обычно изготавливаемый из тугоплавкого металла типа вольфрама, располагается в вакуумной камере напротив флуоресцирующего экрана. Камера заполняется инертным газом (гелием или аргоном) до давления 4-10 торр, и после приложения к острию высокого положительного напряжения вблизи наиболее выступающих участков поверхности происходит полевая ионизация атомов газа за счет туннелирования их электронов в образец. Образовавшиеся ионы ускоряются этим же полем и бомбардируют флуоресцирующий экран, отображая с большим увеличением выступающие участки [1].

Поэтому изобретение в 1982 году Гердом Биннигом и Генрихом Рорером сканирующего туннельного микроскопа, который не накладывает ограничений на размеры образцов, открыло двери в новый микроскопический мир.

1. История создания сканирующего туннельного микроскопа

История создания этой методики берет свое начало с конца 60-х годов XX века, когда Р. Янг (Национальное бюро стандартов, США) попытался использовать электронное туннелирование для исследования геометрической структуры поверхности. С этой целью он разработал прибор, названный им топографиметром, весьма напоминающий современный СТМ за одним принципиальным исключением: сканирование осуществлялось на расстоянии ~ 100 Е от поверхности и в режиме полевой электронной эмиссии (но не вакуумного туннелирования). В результате удалось наблюдать поверхность дифракционной решетки, но с разрешением лишь несколько сот ангстрем.

В ноябре 1978 года будущие Нобелевские лауреаты Герд Бинниг и Генрих Рорер вернулись к идее использования вакуумного туннелирования для локальной спектроскопии тонких оксидных слоев на металлах. Для перемещения острия на малые расстояния и поддержания ширины вакуумного зазора с субангстремной точностью были использованы пьезоэлектрические материалы и система обратной связи.

Несмотря на свою простоту, конструирование и изготовление СТМ до сих пор остается трудной задачей. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Основные проблемы, стоящие перед разработчиками являются:

1. Изоляция от акустических и механических вибраций;

2. Создание быстродействующей малошумящей электроники, работающей в широком динамическом диапазоне;

3. Обеспечение надежных сверхвысоковакуумных условий, допускающих различные манипуляции с образцом;

4. Изготовление тонких атомногладких острий-зондов и их диагностика.

Для решения первоначально казавшейся непреодолимой проблемы виброизоляции Герд Бинниг и Генрих Рорер в своей первой конструкции использовали даже сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла. В дальнейшем эту проблему удалось решить используя специальную подвеску в вакууме всего микроскопа на длинных пружинах и разместив сканирующий узел на массивном виброизолирующем столике.

В марте 1981 года (всего через 27 месяцев после того, как была сформулирована его базовая концепция) была экспериментально доказана экспоненциальная зависимость тунельного тока от расстояния между острием и образецом. День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии. За создание прибора Герду Биннингу и Генриху Рореру в 1986 году была присуждена Нобелевская премия.

2. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа

Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий по-тенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле (Рисунок 1).

В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояния в несколько ангстрем. При этом образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер, величина которого определяется, в основном, значениями работы выхода электронов из материала зонда и образца. При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой, равной средней работе выхода материалов:

(2.1)

Рисунок 1. - Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер в туннельном микроскопе. - амплитуда волновой функции электрона; - амплитуда волновой функции электрона, прошедшего сквозь барьер; ?Z - ширина барьера.

Как известно из квантовой механики [5,6], вероятность тунелирования электрона (коэффициент прохождения) через одномерный барьер прямоугольной формы равна

(2.2)

где - амплитуда волновой функции электрона, движущегося к барьеру; - амплиту-да волновой функции электрона, прошедшего сквозь барьер; K - константа затухания волновой функции в области, соответствующей потенциальному барьеру; ?Z - ширина барьера. Для туннельного контакта двух металлов константу затухания можно представить в виде

(2.3)

где m - масса электрона, - средняя работа выхода электрона, h - постоянная Планка.

При приложении к туннельному контакту разности потенциалов V между зондом и образцом появляется туннельный ток (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Энергетическая диаграмма туннельного контакта двух металлов. , - уровни Ферми зонда и образца

В процессе туннелирования участвуют, в основном, электроны с энергией в окрестности уровня Ферми . В случае контакта двух металлов выражении для плотности туннельного тока (в одномерном приближении) было получено в работе [7]:

(2.4)

Где параметры и задаются следующими выражениями

(2.5)

(2.6)

При условии малости напряжения смещения (), выражение для плотности тока можно представить в более простом виде. Линеаризуя вторую экспоненту в выражении (2.4) по параметру , получаем

(2.7)

Наконец, пренебрегая членом по сравнения с , выражение для плотности тока можно записать следующим образом:

=(2.8)

Поскольку экспоненциальная зависимость очень сильная, то для оценок и качественных рассуждений часто пользуются упрощенной формулой

(2.9)

в которой величина ) считается не зависящей от изменения расстояния зонд-образец. Для типичных значений работы выхода () значение константы затухания k = 2 , так что при изменении ?Z на величина тока меняется на порядок. Реальный туннельный контакт в СТМ не является одномерным и имеет более сложную геометрию, однако основные черты туннелирования, а именно экспоненцальная зависимость тока от расстояния зонд-образец, сохраняются также и в более сложных моделях, что подтверждается экспериментально.

Для больших напряжений смещения () из выражения (2.4) получается хорошо известная формула Фаулера-Нордгейма для полевой эмиссии электронов в вакуум:

( 2.10)

Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния (2.9) позволяет осуществлять регулирования состояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. СТМ представляет собой электромеханическую систему с отрицательной обратной связью. Система обратной связи поддерживает величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне (), выбираемом оператором. Контроль величины туннельного тока, а следовательно, и расстояние зонд-поверхность осуществляется посредством перемещения вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента (Рисунок 3).

Рисунок 3. - Упрощенная схема организации обратной связи по туннельному току

Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя методами. По методу постоянного туннельного тока (Рисунок 4(а)) зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжение на Z-электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции , а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

Рисунок 4. - Формирование СТМ изображения поверхности по методу постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображение поверхности по методу постоянной высоты . В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (Рисунок 4(б)). Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуется очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени.

Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающей над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.

Рисунок 5. - Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе

С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до атомарного, что продемонстрировано многими исследовательскими группами на образцах из различных материалов.

3. Устройство сканирующего туннельного микроскопа

Принцип работы микроскопа для исследования структуры поверхности материала или шлифа, основанный на использовании в качестве инструмента измерения туннельного тока, был сформулирован в начале XX века после открытия основных положений квантовой механики.

Однако практические трудности по разработке высокоточных двигателей для перемещения острия зонда, регистрирующих и следящих приборов, задержали появление конструкции туннельного микроскопа вплоть до конца XX столетия.

Блок-схема СТМ, работающего в режиме постоянного туннельного тока, представлена на Рисунке 6.

Рисунок 6. - Блок-схема сканирующего туннельного микроскопа

1 - двигатели для перемещения зонда по осям X, Y, Z; 2 - двигатель для перемещения объекта по оси Z; - напряжения, подаваемые на двигатели 1; - напряжение, подаваемое на двигатель 2; - разность потенциалов между зондом и объектом; - туннельный ток.

Зонд перемещается в плоскости объекта XY и по нормали к ней Z с помощью трёх двигателей 1. Объект подводится к острию зонда с помощью двигателя 2.

От цифроаналогового преобразователя (ЦАП) подаются напряжения и на -, -двигатели 1, управляющие сканированием зонда в плоскости объекта. На -двигатель 1 подается напряжение обратной связи , и двигатель начинает перемещать зонд по нормали к поверхности объекта до тех пор, пока туннельный ток цепи зонд - образец не будет стабилизирован на заданном уровне. Таким образом, изменение Uz при сканировании поверхности будет количественно отражать характер изменения рельефа поверхности . Для регистрации этих зависимостей используется компьютер, обрабатывающий сигнал из АЦП. Это позволяет быстро менять параметры эксперимента, проводить математическую обработку трёхмерного массива данных, запоминать и выводить данные в различной форме. Сигнал на АЦП поступает из предусилителя, который служит для усиления туннельного тока.

Электронные устройства, используемые в СТМ, традиционны, и вся специфика прибора в основном связана с конструкцией двигателей перемещения зонда и образца. К этим двигателям предъявляются следующие требования:

1. Двигатели должны обеспечивать по возможности большие перемещения при высокой жесткости устройства, что необходимо для защиты СТМ от механических вибраций. Поэтому они должны обладать высокими частотами собственных механических колебаний, что желательно также и для обеспечения быстродействия;

2. Задаваемые перемещения должны быть воспроизводимы и линейно зависеть от управляющего напряжения;

3. Необходимо уменьшать мощность управляющих сигналов (в термо-скомпенсированной конструкции локальные источники тепла приводят к изменению температуры по направлению (появлению градиента температур) и вызывают искажения линейных размеров деталей конструкции микроскопа)

Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют двигатели из пьезокерамики, обладающей высоким коэффициентом преобразования электрической энергии в механическую (до 40 %).

4. 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 ( 0,01 нм) определяется крутой экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния между объектом и зондом, а в плоскости объекта - с диаметром пучка электронов (Рисунок 7), т.е., прежде всего, - качеством острия зонда и шагом сканирования в этой плоскости.

Рисунок 7. - Схема протекания туннельного тока между зондом и объектом. 1 - зонд; 2 - пучок электронов; 3 - объект (образец); - разность потенциалов между зондом и объектом; - туннельный ток; L - расстояние между зондом и объектом; F - площадь туннельного контакта

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.

Разрешение СТМ зависит от ряда факторов, основными из которых являются внешние вибрации, акустические шумы и качество приготовления зондов.

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

(4.1)

где - разрешение глаза, равное 200 мкм, - 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 и максимальное перемещение зонда по нормали к поверхности. Первые конструкции СТМ имели очень малое поле сканирования (не более 11 мкм). Например микроскоп СММ-2000Т оснащён сканером с широким полем (2020 мкм) и перемещением по оси 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 250250 мкм, что позволит сравнивать изображения структур, полученные с помощью СТМ и обычного оптического микроскопа.

К техническим характеристикам микроскопа относится также диапазон задаваемого напряжения между зондом и поверхностью образца, который составляет от В до 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: . 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 и её дифференцирование 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 - спектро-скопия). Для реализации СТМ - спектроскопии требуется сведения до минимума уровня помех, т.е. проведение исследований в специальных виброзащищённых помещениях.

5. Требования к объектам исследования и методы их подготовки

К объектам для исследования на СТМ предъявляются два основных требования: низкая шероховатость поверхности и хорошая проводимость материала.

Требования по шероховатости поверхности регламентируются перемещением зонда сканера по нормали к поверхности объекта, т.е. технической характеристикой микроскопа. При исследованиях с помощью микроскопа СММ-2000Т необходимо, чтобы размах колебаний между впадинами и выступами на поверхности объекта не превышал 2 мкм. В противном случае зонд может или воткнуться в поверхность и разрушиться, или отойти от неё на такое расстояние, при котором протекания туннельного тока невозможно.

Экспериментальным путём установлено, что для существования туннельного тока между зондом и поверхностью её электрическое сопротивление, измеренное между щупами тестера при расстоянии порядка 1 см, не должно превышать 2 кОм.

Из требований к исследуемой поверхности вытекают и методы её подготовки. Во-первых, чтобы поверхность образца была полированной (с шероховатостью порядка = 0,025 мкм). Во-вторых, если сопротивление поверхности превышает 2 кОм, то на неё напыляют тонкую проводящую плёнку толщиной порядка 1 - 4 нм. Для этой цели часто используют графит. При этом разрешение структуры поверхности ухудшается на значение, соответствующее толщине плёнки.

Необходимо иметь в виду, что на большинстве металлов и их сплавов с течением времени образуются оксидные плёнки. Пока их толщина мала, они не мешают наблюдению поверхности металла. Это объясняется тем, что радиус нахождения поверхностного электрона (дебаевский радиус) проводящей поверхности объекта увеличивается до 10 - 20 нм при контакте этой поверхности с диэлектрическим твёрдым телом, каковым является оксидная плёнка.

При больших толщинах плёнки происходит срыв туннельного тока. Для большинства металлов толщина оксидных плёнок начинает превышать 10 - 20 нм через 10 - 30 минут после очистки поверхности, поэтому рекомендуется исследовать образцы на СТМ сразу же после их подготовки.

Покрытие поверхности объекта тонким слоем диэлектрической жидкости не влияет на результат измерения топографии и может быть использовано для консервации рельефа поверхности и предохранения её от внешних воздействий.

В ряде случаев используют специальные методы подготовки объектов к исследованию на СТМ. В первую очередь это относится к биологическим объектам - бактериям, молекулам ДНК и другим, которые исследуются в тонкой прослойке жидкости, где перемещается игла зонда.

Требования к размерам исследуемых объектов определяются конструкциями головки СТМ и держателя образцов. Для рассматриваемого микроскопа СММ-2000Т в качестве образцов рекомендуются пластины площадью примерно 1010 мм и толщиной до 3 мм.

6. Области использования сканирующей туннельной микроскопии

Этот метод начал использоваться в научных исследованиях сравнительно недавно, но уже сейчас области его применения довольно разнообразны. Они могут быть представ-лены 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.

2. Нанометрия - исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности образца.

3. Нанотехнологии - исследование, изготовление и контроль приборных структур в микроэлектронике.

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. Искусственный рельеф может создаваться и путём термодесорбции. В этом случае зонд выступает в роли носителя материала для создания битов информации. Зонд может использоваться также и в роли точечного источника электронов для осуществления электронной литографии, химических или структурных локальных перестроек поверхности.

При записи информации методом электронной литографии (нанолитографии) через острие зонда пропускают кратковременно большой силы туннельный ток при повышенной разности потенциалов , 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 . Для сравнения: плотность записи на современном накопителе информации, где использован магнитный эффект (магнитные диски), составляет 107 , при лазерном воздействии (компакт диски - CD) - до 109 .

4. Исследование биологических объектов - макромолекул (в том числе и молекул ДНК), вирусов и других биологических структур.

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.

5. СТМ имеет широкие перспективы в области материаловедения - при изучении микро-, суб- и кристаллических структур различных материалов. Объектами для исследования структуры материалов на СТМ могут служить, как и в других случаях (оптическая и электронная микроскопия), микрошлифы. Рельеф микрошлифа, по-лучаемый при травлении, будет отражать структуру материала. Исследование рельефа на СТМ с высоким разрешением позволит выявить особенности, прежде всего, субструктурного строения. Представляется, что метод сканирующей туннельной микроскопии откроет широкие возможности для исследования дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций и т.д.), различных сегрегаций атомов, в том числе и при фазовых превращениях, особенно на их ранних стадиях. Определение, наряду с изучением структуры материала, химического состава локальных зон поверхностного слоя объекта (СТМ - спектроскопия), позволит составить конкуренцию растровой электронной микроскопии, микрорентгеноструктурному анализу, превосходя последний по уровню разрешения.

Работ в области материаловедения, особенно фундаментального характера, с использованием СТМ пока крайне мало. В настоящее время имеются работы по исследованию на СТМ некоторых металлов и сплавов, плёнок металлов толщиной от 0,5 нм, дифракционных решёток (изготовленных методами микроэлектроники и голо-графии), полупроводников, ферритовых головок, усталостных трещин в металлических материалах, углеродных микропористых фильтров, алмазоподобных плёнок, метал-лических монокристаллов, теплоизолирующих материалов на основе спечённых кварце-вых волокон, порошковых материалов, алмаза и других природных камней, фуллеренов и подобных им образований, плёнок жидких кристаллов и др. Эти исследования в основном связаны с выявлением структуры различных материалов.

7. Развитие микроскопии ближнего поля и расширение области её применения

Микроскопия ближнего поля - это методы исследования, принцип работы которых основан на использовании малой диафрагмы, обеспечивающей излучение малого диаметра, или зонда, выполняющего ту же роль, близко поднесённых к изучаемому объекту.

При наличии уникальных возможностей СТМ:

1. Неразрушающий характер анализа поверхности материала, обусловленный отсутствием механического контакта образца и низкой энергией туннелирующих электронов;

2. Получение реального трёхмерного изображения рельефа поверхности;

3. Работа не только в вакууме, но и на воздухе - область применения СТМ ограничивается проводящими объектами. Это ограничение связано с использованием эффекта туннелирования электронов для регистрирующего (сенсорного) и управляющего устройств. Использование сенсорных устройств, основанных на других физических принципах, позволяет расширить область применения микроскопов ближнего поля с остриём в качестве зонда.

Микроскопия ближнего поля бурно развивается. С каждым годом появляются новые конструкции микроскопов, которые благодаря своей относительной дешевизне внедряются не только в научно-исследовательские центры, но и на производстве. Рассмотрим принципы работы других, уже разработанных или только проектирующихся микроскопов ближнего поля.

Микроскоп атомных сил (МАС). В этом микроскопе в качестве сенсора использованы силы отталкивания (примерно Н), которые возникают при приближении зонда к поверхности на межатомное расстояние и являются результатом взаимодействия волновых функций электронов атомов зонда и образца. Последнее достижение в этой области - создание лазерного силового микроскопа, который измеряет силы отталкивания до Н на расстоянии до 20 нм, с разрешением порядка 5 нм. Такой инструмент удобен для исследования, например, неровностей поверхности элементов микросхем на всех этапах их изготовления.

Микроскоп магнитных сил (ММС). В приборе использован принцип силового микроскопа ближнего поля, где в качестве зонда применяется намагниченное острие. Его взаимодействие с поверхностью образца позволяет регистрировать магнитные микрополя и представлять их в качестве карты намагниченности. Разрешение микроскопа составляет около 25 нм, при размере доменов около 200 нм.

Микроскоп электростатических сил (МЭС). Острие и образец рассматриваются как конденсатор, а с помощью лазерного силового микроскопа измеряется изменение ёмкости до Ф с полосой пропускания 1 Гц. Микроскоп позволяет изучать изменение потенциала вдоль поверхности образца бесконтактным методом.

Оптический микроскоп ближнего поля. Принцип ближнего поля - малой диафрагмы, поднесённой близко к рассматриваемому объекту, даёт возможность повысить разрешение микроскопа

Максимальная разрешающая способность оптического микроскопа соответствует условию

(7.1)

где - длина волны света, - числовая апертура объектива.

Для освещения объекта наиболее часто применяют белый свет, длину волны которого можно принять . Максимальное значение числовой апертуры, достигаемое при использовании иммерсии, составляет . В соответствии с условием (7.1), разрешающая способность оптического микроскопа будет равна .

Если освещать образец через диафрагму с диаметром отверстия , намного меньшим длины волны падающего света и регистрировать интенсивность проходящего через объект или отражённого от него излучения, то размер диафрагмы будет определять разрешение прибора. Так, для получено разрешение около , что существенно выше, чем у оптического микроскопа.

Расширение области использования микроскопов ближнего поля предусматривает их применение для записи и воспроизведения информации. Все перечисленные выше способы получения изображения в принципе могут быть использованы для этой цели. В качестве элемента, несущего бит информации, в зависимости от используемого микроскопа могут выступать: искусственный рельеф с минимальным размером элемента, равным диаметру одного атома (МАС); магнитная структура поверхности с минимальным размером, равным величине магнитного домена (ММС); неоднородность потенциала или заряда (МЭС).

Список используемых источников

1. Маслова Н.С., Панов В.И. - Сканирующая туннельная микроскопия атомной структуры, электронных свойств и поверхностных реакций // Успехи физ. наук. 1989. Т. 157, № 1. С. 185-195.

2. Трубецков Д.И. - Вакуумная микроэлектроника // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 4. С. 58-64.

3. Келдыш Л.В. - Таммовские состояния и физика поверхности твердого тела // Природа. 1985. № 9. С. 17-33.

4. Бахтизин Р.З., Сакурай Т., Хашицуме Т., Щуе К.-К. - Атомные структуры на поверхности GaAs(001), выращенной методами молекулярно-лучевой эпитаксии // Успехи физ. наук. 1997. Т. 167, № 11. С. 1227-1241.

5. Д.И.Блохинцев - "Основы квантовой механики", Москва, "Наука", 1983 г.

6. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц - "Теоретическая физика том 3 - Квантовая механика", М.: "Физматлит", 2001, 804 с.

7. J.G.Simons - Generalized formula for the electric tunnel effect between similar electrodes separated by a thin insulating film // J. Appl. Phys., 34, 1793 (1963).



Список используемых обозначений

СТМ - сканирующий туннельный микроскоп

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь

ВАХ - вольтамперная характеристика

Размещено на Allbest.ru

...