С помощью сканирующего туннельного микроскопа можно разглядеть отдельные атомы вещества без обычного в таких исследованиях вакуума и при комнатной температуре.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), созданный 30 лет назад в лаборатории IBM в Цюрихе, с тех пор удерживает пальму первенства по разрешению среди прочих микроскопических методов - ведь он может «рассмотреть» отдельные атомы вплоть до водорода. И не просто рассмотреть – с помощью СТМ можно измерить электронную структуру поверхности, и даже «подвинуть» молекулу или даже отдельный атом.

Устройство сканирующего туннельного микроскопа.

Модификация зонда с помощью фуллерена.

Сканирование поверхности эпитаксиального графена с помощью модифицированного зонда.

Сканирование поверхности дисульфида молибдена с помощью модифицированного зонда.

Принцип работы СТМ основан на эффекте квантового туннелирования. В необычном мире квантовой механики электрону соответствует волновая функция. Она описывает распределение вероятности того, что электрон находится в определённом месте с определённой энергией – в пределах принципа неопределённости Гейзенберга. То есть невозможно определить положение или момент частицы с абсолютной точностью. Таким образом, если электрон находится рядом с потенциальным барьером (в случае туннельного микроскопа роль такого барьера играет промежуток между кончиком зонда и поверхностью), то существует конечная вероятность, что электрон может оказаться по другую сторону этого барьера – на поверхности образца. То есть, вопреки нашей «макро-интуиции», если бросить мячик-электрон об стенку-барьер, то он не отскочит, а туннелирует сквозь стенку и продолжит движение по другую её сторону.

Туннельный эффект сканирующего туннельного микроскопа позволяет изучать как топологию и структуру поверхности микроскопируемого образца, так и её химического состава (см. Рис.1). Прибор «сканирует» поверхность с помощью находящегося под напряжением зонда–иглы, тонкого настолько, что на его кончике умещаются всего несколько атомов. При расстоянии между зондом и поверхностью порядка 0,4–0,7 нм электрон туннелирует на поверхность образца. Ток таких электронов зависит от напряжения на зонде, локальной плотности состояний конкретного атома поверхности, а так же от расстояния между зондом и поверхностью (в последнем случае возникает экспоненциальная зависимость).

У СТМ есть два режима сканирования. При одном из них система обратной связи поддерживает заданное значение туннельного тока, и топография поверхности воспроизводится на основе последовательности движения зонда. При втором режиме зонд сохраняет заданное расстояние от поверхности, и микроскоп отслеживает изменения туннельного тока. В обоих случаях положение зонда отслеживается с помощью пьезо-элементов. Пьезоэлектриками называют материалы, которые меняют свой размер в зависимости от проходящего через них тока (и наоборот – при изменении размера в них меняется ток). Поскольку они обладают сверхточным откликом, они служат распространённым инструментом для очень точного перемещения объектов.

Обычно сканирование проходит в несколько этапов. Сначала, чтобы получить представление о топологии поверхности на данном участке, делается общий скан площадью порядка 1–1,5 микрон. Потом обследуется участок размером около 100 нм, выбранный на основе предыдущего скана, и так далее, пока не мы не дойдём уже до непосредственных измерений того, что нам нужно. Это может быть замер расстояний между атомами, изучение структуры поверхности, карта плотности атомных состояний; с помощью микроскопа можно также манипулировать конкретным атомом или молекулой. Разрешение СТМ в таких измерениях – около Ангстрема (0,1 нм) в плоскости и 0,01 нм в глубину.

Недавно было показано, что добавление некоторых молекул на кончик зонда СТМ улучшает разрешение микроскопа и его химический контраст. Обычно такие измерения проходят в ультраглубоком вакууме, при крайне низких (криогенных) температурах (4–100 градусов выше абсолютного нуля) и требуют идеально чистой поверхности. Такие эксперименты очень трудоёмки – например, ко всему прочему образцы приходится выращивать прямо внутри микроскопа, – и на каждое измерение уходит много времени.

Если бы СТМ удалось приспособить к комнатной температуре, это сильно помогло бы многим физикам, в том числе тем, кто работает с двухмерными кристаллами – графеном и многообещающим семейством дихалькогенидов переходных металлов. Их активно исследуют по всему миру, поскольку такие двухмерные кристаллы в перспективе позволят создавать наноэлектронику атомарной толщины с чётко определённой электронной структурой. В плане электронных и оптоэлектронных свойств интересны не только отдельные двухмерные кристаллы, но и так называемые гетероструктуры Ван дер Ваальса: «слоёный пирог» из графена, нитрида бора и вышеупомянутых дихалькогенидов.

Петер Нирмалрадж (Peter Nirmalraj ) из лаборатории IBM и его коллеги из Швейцарии, Ирландии и США разработал метод, позволяющий наблюдать поверхности в атомном разрешении при комнатной температуре. Исследователи модифицировали зонд СТМ, «прицепив» к нему фуллерен С 60 (который представляет собой шарообразную молекулу из 60 атомов углерода диаметром около 1 нм, похожую по структуре на футбольный мяч). Погружая зонд в силиконовое масло (вязкая неполярная химически инертная жидкость), мы стабилизируем фуллерен, и он дольше держится на кончике зонда. В то же время масло отлично защищает поверхность образца от воздействия атмосферы без необходимости откачивать камеру для измерений до ультраглубокого вакуума.

Как же посадить молекулу из 60 атомов на кончик зонда диаметром сопоставимого размера? Для этого на заранее подготовленную подложку наносится раствор, содержащий фуллерены заданного размера. Высушенная подложка сканируется с помощью зонда (см. Рис.2, над сканом указан туннельный ток во время измерения и напряжение на зонде). Кончик иглы приближается к выбранному фуллерену и «огибает» его, как показано на иллюстрации. При правильно подобранной комбинации напряжения на зонде и туннельного тока фуллерен цепляется за зонд. Затем делается тестовый скан того же участка, чтобы убедиться в правильной работе модифицированного зонда, и можно менять подложку с фуллеренами на кювету с образцами, погруженными в масло.

Гибридный зонд протестировали на образцах графена и дисульфида молибдена MoS 2 – популярного представителя дихалькогенидов переходных металлов. Измерения показали, что с такой конфигурацией микроскопа можно детально изучить структуру поверхности и точно определить длину межатомных связей – не хуже, чем при низкой температуре в вакууме.

Образец графена для эксперимента вырастили на поверхности кристалла карбида кремния (SiC) с помощью эпитаксии (то есть последовательного выращивания одного кристалла на поверхности другого). На Рис.3 хорошо видна граница между двухслойным и однослойным графеном, и чётко различимы атомы углерода в решётке из «сот». Также хорошо видна типичная «рябь» на поверхности однослойного графена – она стабилизирует двухмерную структуру и обычно не оказывает существенного влияния на электронные свойства.

На Рис.4 показаны измерения MoS 2 (его химическая структура изображена в виде шариков, соединённых «палочками» химической связи). На предварительном скане хорошо видна слоистость кристалла, и можно точно измерить толщину каждого слоя. Также видна периодическая «сетка Муара», которая возникает из-за несовпадения постоянной решётки MoS 2 и подложки из золота, на которой его растили. Для сравнения, период сетки Муара составляет около 32 Ангстрем (3,2 нм), тогда как постоянная решётки MoS 2 составляет 3,2 Ангстрема. Полностью результаты работы опубликованы в Nature Communications .

Главное же здесь в том, что зонд для СТМ с фуллереном смог правильно измерить межатомные расстояния и толщину слоёв графена и дисульфида молибдена. Это означает, что измерения при комнатной температуре и с погружением зонда в силиконовое масло не уступают результатам, полученным в вакууме и при низкой температуре. Помимо электронных свойств самих материалов и наноустройств их них, важным фактором является стабильность на воздухе, поскольку подобные структуры могут легко окисляться. Чтобы выбрать наиболее перспективные материалы и их комбинации для потенциальных приложений, наряду с электронными и структурными свойствами, важно оценить воздействие атмосферы и растворителей на кристаллическую и электронную структуру, и метод Петера Нирмалраджа позволяет провести такие измерения сравнительно легко и быстро.

Сканирующая туннельная микроскопия

Исторически первым в семействе зондовых микроскопов появился сканирующий туннельный микроскоп. Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле.

Рис. 22. Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер в туннельном микроскопе

В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояния в несколько ангстрем. Туннельный ток от расстояния зависит экспоненциально, что позволяет осуществлять регулирование расстояния 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 (I 0), выбираемом оператором. Контроль величины туннельного тока, а следовательно, и расстояния зонд-поверхность осуществляется посредством перемещения зонда вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента (рис. 42).

Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя методами. По методу постоянного туннельного тока (рис. 23 (а)) зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжения на Z - электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции Z = f (x,y ), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

Рис. 23. Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния (б)

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности по методу постоянной высоты Z = const . В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (рис. 23 (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 реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений.

Итак, разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает в СТМ 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. Атом, выступающий 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.

Рис. 24. 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.

Зонды для туннельных микроскопов

В сканирующих туннельных микроскопах используются зонды нескольких типов. В первое время широкое распространение получили зонды, приготовленные из вольфрамовой проволоки методом электрохимического травления. Процесс приготовления СТМ зондов по данной технологии выглядит следующим образом. Заготовка из вольфрамовой проволоки укрепляется так, чтобы один из ее концов проходил сквозь проводящую диафрагму (Д) и погружался в водный раствор щелочи КОН (рис. 25). Контакт между диафрагмой и вольфрамовой проволокой осуществляется посредством капли КОН, расположенной в отверстии диафрагмы.

Рис. 45. Схема изготовления СТМ зондов из вольфрамовой проволоки с помощью электрохимического травления.

При пропускании электрического тока между диафрагмой и электродом, расположенным в растворе КОН, происходит перетравливание заготовки. По мере травления толщина перетравливаемой области становится настолько малой, что происходит разрыв заготовки за счет веса нижней части. При этом нижняя часть падает, что автоматически разрывает электрическую цепь и останавливает процесс травления.

Другая широко применяемая методика приготовления СТМ зондов – перерезание тонкой проволоки из PtIr сплава с помощью обыкновенных ножниц. Перерезание производится под углом порядка 45 градусов с одновременным натяжением P проволоки на разрыв (рис. 26).

Рис. 26. Схематичное изображение процесса формирования СТМ острия при перерезании проволоки из PtIr сплава.

Процесс формирования острия в этом случае отчасти сходен с процессом изготовления острия из вольфрама. При перерезании происходит пластическая деформация проволоки в месте резки и обрыв ее под действием растягивающего усилия. В результате в месте разреза формируется вытянутое острие с неровным краем с многочисленными выступами, один из которых и оказывается рабочим элементом зонда. Данная технология изготовления СТМ зондов применяется сейчас практически во всех лабораториях и почти всегда обеспечивает гарантированное атомарное разрешение при СТМ исследованиях поверхности.

Измерение локальной работы выхода в СТМ

Для неоднородных образцов туннельный ток является не только функцией расстояния от зонда до образца, но и зависит от значения локальной работы выхода электронов в данном месте поверхности. Для получения информации о распределении работы выхода применяется метод модуляции расстояния зонд-образец ΔZ . С этой целью в процессе сканирования к управляющему напряжению на Z-электроде сканера добавляется переменное напряжение с внешнего генератора на частоте ω . Тогда напряжение на Z-электроде сканера можно представить в виде

Это приводит к тому, что расстояние зонд - образец оказывается промодулированным на частоте ω :

где ΔZ m и U m связаны между собой через коэффициент электромеханической связи пьезосканера K .

Компания «Криотрейд инжиниринг» представляет комбинированный атомно-силовой / сканирующий туннельный микроскоп производства немецкой компании attocube .

Комбинированный микроскоп , объединяющий в себе атомно-силовой микроскоп, работающий в бесконтактном режиме и туннельный микроскоп, является очень универсальным инструментом исследования образцов. В отличие от , в микроскопе используется кварцевый камертонный резонатор с горизонтальным расположением, на одной ноге которого закреплена сверхтонкая заостренная вольфрамовая игла, играющая роль зонда. Такая конструкция микроскопа позволяет проводить исследования методом СТМ небольших проводящих участков на больших непроводящих образцах.

Одним из неоспоримых достоинств этого микроскопа является большой диапазон сканирования по сравнению с традиционными СТМ-микроскопами, поскольку в используется пьезосканер ANS , а не обычный пьезоэлемент. За счет этого существенно упрощается задача поиска области сканирования наноструктурированного образца. В обычных СТМ-микроскопах зачастую просто отсутствует возможность горизонтального позиционирования в макроскопических масштабах.

В АСМ-режиме миниатюрный пьезоэлемент возбуждает механические колебания кварцевого камертона на резонансной частоте. Это позволяет относительно быстро снять АСМ-изображение непроводящих областей образца в бесконтактном режиме и получить топографию поверхности всего образца. В СТМ-режиме игла электрически соединяется с усилителем тока/напряжения для измерения туннельного тока. Между иглой и образцом прикладывается напряжение смещения, которое вызывает туннельный ток, экспоненциально зависящий от расстояния между иглой и образцом. В режиме постоянной высоты сканирование происходит в плоскости, параллельной поверхности образца. В случае постоянной плотности электронных состояний образца, величина туннельного тока между зондом и образцом отражает топографию поверхности образца. Поскольку в этом режиме отсутствует необходимость подстройки расстояния между зондом и образцом, сканирование можно проводить на достаточно большой скорости. Однако поверхность образца при этом должна быть достаточно гладкой - любые неровности высотой 5 - 10 Å приведут к удару зонда о поверхность. В этом случае предпочтителен режим, в котором поддерживается постоянным туннельный ток. В этом режиме система обратной связи следит за величиной туннельного тока и постоянно подстраивает вертикальное положение иглы так, чтобы ток оставался постоянным. Это происходит за счет подстройки напряжения на Z-пьезоэлементе.

В дополнение к этим двум режимам СТМ, есть еще один режим исследования электронных свойств поверхности образца - сканирующая туннельная спектроскопия. Путем изменения напряжения смещения при постоянном расстоянии между зондом и образцом можно получать зависимости I/V. Более того, применяя метод синхронного детектирования, можно измерять туннельную проводимость dI/dV путем модуляции напряжения смещения и регистрации туннельного тока на этой же частоте. При этом можно показать, что dI/dV прямо пропорционально локальной плотности электронных состояний.

В отличие от классических сверхвысоковакуумных СТМ-микроскопов, предназначенных для in-situ исследований выращенных образцов, основное применение микроскопа - широкий спектр исследований наноструктур методом сканирующей туннельной спектроскопии.

Ключевые особенности и преимущества сканирующего туннельного микроскопа attoAFM/STM производства attocube

Сверхкомпактная беспрецедентно стабильная СТМ головка

Большой диапазон сканирования при криогенных температурах: 9 х 9 х 2 мкм

АСМ: сверхчувствительный неоптический кварцевый камертон с горизонтальным расположением

СТМ: работа при криогенных температурах, коаксиальные кабели с низкой емкостью для минимизации шумов

Сверхвысокое разрешение в бесконтактном режиме

Поиск и исследование областей мезоскопических наноструктур методами АСМ и СТМ

Сверхнизкий уровень шумов туннельного тока

Возможные опции:

Интерферометрические датчики смещения для сканирования образца с обратной связью, обеспечивающие точность позиционирования 1 нм
Система позиционирования образца с резистивными энкодерами, позволяющая задавать абсолютные координаты области сканирования в диапазоне 5 х 5 мм с повторяемостью 1 мкм
Система визуализации образца, состоящая из оптической схемы, ПЗС-камеры и светодиодной подсветки образца, позволяющая осуществлять визуальный контроль образца и зонда во время сканирования

Основные характеристики:


Общие характеристики
Тип микроскопа	Атомно-силовой микроскоп с кварцевым камертонным резонатором и СТМ-иглой
Совместимость	Возможность установки зондов NaugaNeedles
Режимы работы
Режимы сканирования	Бесконтактный
Стандартные методы	Атомно-силовая микроскопия, электростатическая силовая микроскопия, сканирующая затворная микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия, сканирующая туннельная спектроскопия
Компенсация наклона	Компенсация наклона плоскости сканирования по двум осям
Разрешение
Плотность шума по Z-координате	<16 пм/Гц 1/2
Разрешение по Z-координате	7,6 пм при температуре 4К и диапазоне сканирования 2 мкм
Шум туннельного тока	<40 фА/Гц 1/2 в полосе 7 КГц
Позиционирование образца
Общий диапазон перемещения	5 х 5 х 5 мм в режиме без обратной связи
Шаг	от 0,05 до 3 мкм при температуре 300К, от 10 до 500 нм при температуре 4К
Диапазон сканирования	40 х 40 х 4,2 мкм при температуре 300К, 9 х 9 х 2 мкм при температуре 4К
Сканирование в режиме с обратной связью	Опционально
Условия эксплуатации
Температурный диапазон	От 1,5 до 300К. Возможно исполнение для работы при температуре менее 1К
Диапазон значений магнитной индукции	От 0 до 15 Т
Среда	Теплообменный газ (гелий). Возможно вакуумное исполнение (до 10 -6 мбар)
Криогенная система
Корпус микроскопа	Титановый, диаметр 48 мм
Шахта магнита/криостата	Диаметр 2” (50,8 мм)
Совместимые модели криостатов	attoLIQUID1000/2000/3000/5000

Для уточнения цены и сроков поставки оборудования связывайтесь с техническими специалистами «Криотрейд инжиниринг».

Схема работы сканирующего туннельного микроскопа

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM - scanning tunneling microscope ) - вариант сканирующего зондового микроскопа , предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем . При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный ток . Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения 1-1000 пА при расстояниях около 1 . Сканирующий туннельный микроскоп первый из класса сканирующих зондовых микроскопов; атомно-силовой и сканирующий ближнепольный оптический микроскопы были разработаны позднее.

В процессе сканирования игла движется вдоль поверхности образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, и показания следящей системы меняются в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот. Другая методика предполагает движение иглы на фиксированной высоте над поверхностью образца. В этом случае фиксируется изменение величины туннельного тока и на основе данной информации идет построение топографии поверхности.

Таким образом сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) включает следующие элементы:

зонд (иглу),
систему перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам,
регистрирующую систему.

Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от величины тока между иглой и образцом, либо перемещения иглы по оси Z. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор . Ограничения на использование метода накладываются, во-первых, условием проводимости образца (поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/см²), во-вторых, условием «глубина канавки должна быть меньше её ширины», потому что в противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей. Но это только основные ограничения. На самом деле их намного больше. Например, технология заточки иглы не может гарантировать одного острия на конце иглы, а это может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков. Кроме ситуации глубокого вакуума , во всех остальных случаях мы имеем на поверхности осаждённые из воздуха частицы, газы и т. д. Технология грубого сближения также оказывает колоссальное влияние на действительность полученных результатов. Если при подводе иглы к образцу мы не смогли избежать удара иглы о поверхность, то считать иглу состоящей из одного атома на кончике пирамиды будет большим преувеличением.

История создания

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером из лаборатории IBM в Цюрихе в 1981 году. За это изобретение были удостоены Нобелевской премии по физике за 1986 год , которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска .

В СССР первые работы по этой тематике были сделаны в 1985 году в АН СССР.

Литература

Arie van Houselt and Harold J. W. Zandvliet Colloquium: Time-resolved scanning tunneling microscopy (англ.) // Rev. Mod. Phys. . - 2010. - Т. 82. - С. 1593-1605.

Ссылки

Сканирующая зондовая микроскопия
Основные методы
Прочие методы	Электросиловой · Электрохимический сканирующий туннельный · Метод Кельвина · Магнитно-силовой · Магниторезонансный силовой · Ближнепольный оптический · Фототермальная микроспектроскопия · Сканирующий емкостной · Scanning gate · Сканирование датчиком Холла · Ионной проводимости · Спиновой поляризационный сканирующий туннельный · Сканирующая микроскопия напряжения · Нанолитография · Особенность-ориентированное сканирование
Приборы и материалы
См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Саммит
Freedom House

Смотреть что такое "Сканирующий туннельный микроскоп" в других словарях:

СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП - прибор для изучения поверхноститвёрдых электропроводящих тел, основанный на сканировании металлич. остриянад поверхностью образца на расстоянии. Такое расстояние достаточно мало для туннелирования электронов черезконтакт, т … Физическая энциклопедия

сканирующий туннельный микроскоп - STM (Scanning Tunneling Microscope) Сканирующий туннельный микроскоп Прибор для изучения поверхности твердых тел, основанный на сканировании острием (иглой), находящимся под потенциалом, поверхности образца, и одновременном измерении… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

Сканирующий зондовый микроскоп - Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM Scanning Probe Microscope) класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом … Википедия

ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП, - ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП, см. Сканирующий туннельный микроскоп. Физическая энциклопедия. В 5 ти томах. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988 … Физическая энциклопедия

Растровый туннельный микроскоп - Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) система образец + игла, к которым приложена разность потенциалов. Электроны из образца туннелируют на иглу, создавая таким образом туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния… … Википедия - Современный оптический микроскоп Микроскоп (от греч. μικρός малый и σκοπεῖν смотрю) оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), невидимых невооружённым глазом. Содержание … Википедия

Сканирующий микроскоп - Сканирующий (растровый) микроскоп: Сканирующий зондовый микроскоп (SPM) Сканирующий атомно силовой микроскоп (AFM, SPM) Сканирующий туннельный микроскоп (STM) Сканирующий электронный микроскоп (SEM) Сканирующий емкостной микроскоп (SCM) Микроскоп … Википедия

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. Поэтому изобретение в 1982 году Г. Биннигом и Г. Рорером, работающим в филиале компании ИБМ в Цюрихе, сканирующего туннельного микроскопа, не накладывающего ограничений на размеры образцов, реально открыло двери в новый микроскопический мир.

СТМ – первый из семейства зондовых микроскопов. Он стал первым устройством, давшим реальные изображения поверхностей с разрешением до размера атома.

Основное приложение СТМ – это измерение топографии. Именно благодаря своей чрезвычайно высокой чувствительности СТМ способен формировать изображения поверхностей с субангстремной точностью по вертикали и атомным латеральным (т.е. в горизонтальном направлении) разрешением.

Принцип работы СТМ . По своей природе электрон обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Расчеты показывают, что волновые функции электронов в атоме отличны от нуля и за пределами размера самого атома. Поэтому при сближении атомов волновые функции электронов перекрываются раньше, чем начинает существенно сказываться действие межатомных сил. Появляется возможность перехода электронов от одного атома к другому. Таким образом, возможен обмен электронами и между двумя телами, сближенными без соприкосновения, то есть без механического контакта.

Для обеспечения направленного движения электронов (электрического тока) между такими телами необходимо выполнение двух условий:

У одного тела должны быть свободные электроны (электроны проводимости), а у другого – незаполненные электронные уровни, куда могли бы перейти электроны;

Между телами требуется приложить разность потенциалов, и ее величина несоизмеримо мала в сравнении с той, что требуется для получения электрического разряда при пробое воздушного диэлектрического зазора между двумя телами.

Электрический ток, возникающий при заданных условиях, объясняется туннельным эффектом и называется туннельным током.

В процессе сканирования игла движется вдоль образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счет действия обратной связи, и удлинение следящей системы меняется в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот.

Практически, однако, удобнее измерять вариации электрического напряжения, которое подается на пьезоэлемент, удерживающий иглу на фиксированном расстоянии от исследуемой поверхности. Любое изменение этого расстояния вызывает либо уменьшение, либо увеличение управляющего напряжения. Это и дает информацию о рельефе поверхности, которую легко можно ввести в ЭВМ, передать по каналам связи, вывести на экран дисплея и на другие периферийные устройства. Изображение атомного рельефа поверхности получается весьма наглядным.

При работе СТМ расстояние между объектом и зондом L ≈ 0,3...1нм, поэтому вероятность нахождения между ними молекул воздуха при нормальных атмосферных условиях очень мала, т.е. протекание туннельного тока происходит в «вакууме».

Экспоненциальная зависимость туннельного тока I от величины расстояния Z определяет высокую чувствительность измерений. Считается, что с помощью туннелирования можно измерить объекты размером до 0,001 нм.

Для получения СЗМ изображения осуществляют специальным образом организованный процесс сканирования образца. При сканировании зонд вначале движется над образцом вдоль определенной линии (строчная развертка), при этом величина сигнала на исполнительном элементе, пропорциональная рельефу поверхности, записывается в память компьютера.

Затем зонд возвращается в исходную точку и переходит на следующую строку сканирования, и процесс повторяется вновь. Записанный таким образом при сканировании сигнал обратной связи обрабатывается компьютером, и затем СЗМ изображения рельефа поверхности Z = f (x , y ) строится с помощью средств компьютерной графики. Наряду с исследованием рельефа поверхности, зондовые микроскопы позволяют изучать различные свойства поверхности: механические, электрические, магнитные, оптические и многие другие.

Любой механический привод весьма груб, поэтому перемещениями иглы на субатомные расстояния управляют с помощью пьезоэффекта. Керамическая пьезотрубка при подаче на ее электроды управляющего напряжения меняет свою форму и размеры, что позволяет в зависимости от сигнала перемещать иглу по трем координатам. Насколько велика чувствительность микроманипулятора, можно судить по таким цифрам: при изменении напряжения на 1 В игла смещается на величину порядка двух-трех нанометров. Ведя таким образом иглу над поверхностью рельефа, довольно просто получить серию электрических кривых, которые с высокой степенью точности будут описывать характер поверхности.

В зависимости от измеряемого параметра – туннельного тока или расстояния между иглой и поверхностью – возможны два режима работы сканирующего туннельного микроскопа.

В режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирования изменяется в зависимости от расстояния до него. Информационным сигналом в этом случае является величина тока туннелирования, измеренная в каждой точке сканирования поверхности образца. На основе полученных значений туннельного тока строится образ топографии.

В режиме постоянного тока система обратной связи микроскопа обеспечивает постоянство тока туннелирования путем подстройки расстояния «игла-образец» в каждой точке сканирования. Она отслеживает изменения туннельного тока и управляет напряжением, приложенным к сканирующему устройству, таким образом, чтобы компенсировать эти изменения. Другими словами, при увеличении тока система обратной связи отдаляет зонд от образца, а при уменьшении – приближает его. В этом режиме изображение строится на основе данных о величине вертикальных перемещений сканирующего устройства.

Оба режима имеют свои достоинства и недостатки. В режиме постоянной высоты можно быстро получить результаты, но только для относительно гладких поверхностей. В режиме постоянного тока можно с высокой точностью измерять нерегулярные поверхности, но измерения занимают больше времени.

Интерес к СТМ объясняется его уникальным разрешением, позволяющим проводить исследования на атомном уровне. При этом для работы микроскопа не обязательно требуется высокий вакуум, в отличие от электронных микроскопов других типов. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные СТМ, работающие в условиях криогенных температур.

Сканирующие зондовые микроскопы позволяют осуществлять три способа исследования поверхностей, такие как:

Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ);

Сканирующая силовая микроскопия (ССМ);

Близкопольная сканирующая микроскопия (БСМ).