Скануючий тунельний мікроскоп

Перший скануючий тунельний мікроскоп (СТМ) було сконструйовано у 1979 році в лабораторії IBM (м. Цюрих, Швейцарія). Конструктори даного приладу Бінінг та Рорер – за цей винахід та результати дослідження поверхні кремнію на атомарному рівні у 1986 році отримали Нобелівську премію.

СТМ має роздільну здатність до декількох сотих ангстрема по нормалі до поверхні зразка та декілька ангстрем уздовж поверхні. Поле зору більшості мікроскопів становить частки мікрона. За допомогою приладів даного типу можна проводити дослідження об’єктів, що знаходяться у вакуумі, на повітрі та в рідині. Більшість СТМ працює при кімнатній температурі, хоча існують прилади, на яких можна проводити дослідження при гелієвих температурах або при температурах до 1000°С.

Сьогодні СТМ отримав досить широке використання з метою:

- вивчення поверхні матеріалів на атомному рівні;

- дослідження з нанометричною роздільною здатністю шорсткості поверхні;

- дослідження та виготовлення нано- і мікроелектронних приладів (нанотехнології);

- вивчення макромолекул, вірусів та інших біологічних структур.

Принцип роботи СТМ можна зрозуміти, скориставшись рис. 4.7. Розглянемо ідеально плоский

Рисунок 4.7 – До пояснення тунельного ефекту: 1 - голка; 2 - електропровідний зразок; 3 - джерело напруги; 4 - гальванометр

зразок з провідника, до поверхні якого підведена металева голка, що закінчується одним атомом. Відстань між голкою та поверхнею (Z) становить ~3 Å (характерна міжатомна відстань). Якщо між голкою та зразком прикласти різницю потенціалів U_Т від 0,1 до 1 В, то в електричному колі з’явиться струм, обумовлений тунельним ефектом. Імовірність тунелювання електрона описується співвідношенням

, (4.1)

де ћ – стала Дірака; m – маса електрона провідності; A – робота виходу електрона.

Тунельний струм i_Т при цьому буде

, (4.2)

де S – площа тунельного контакту; ρ – густина електронів провідності.

Ураховуючи, що тунельний струм протікає лише через кінець голки, що не зовсім правильно, площа тунельного контакту становить 10^{-20 м2}. При густині електронів провідності ρ ≈ 10^-18 м^-3/В та швидкості 10^-10м/с оцінка за співвідношенням (4.2) показує, що при зазначених параметрах голки величина струму становить від 1 до 10 нА.

Аналізуючи наведені вище співвідношення, можна зробити висновок про те, що струм зменшується за експонентою приблизно на порядок на кожний ангстрем відстані між голкою та поверхнею зразка. Таким чином, при дослідженнях зразка необхідно підвести голку на відстань протікання тунельного струму, закріпити її на п’єзоелементі, що може змінювати свої лінійні розміри під дією керуючої напруги. Проводячи сканування, необхідно підтримувати тунельний струм постійним за допомогою системи зворотного зв’язку. Режим роботи мікроскопа при зазначених вимогах отримав назву режиму постійного тунельного струму. Тут інформація про топологію поверхні зразка подається у вигляді залежності U_Т(x, y) (x, y – координати на поверхні), якщо електронні властивості поверхні (робота виходу) однорідні. Якщо зразок на поверхні має острівці оксиду та сорбовані шари, що не проводять електричного струму, то це призводить до появи на зображенні западин з вертикальними стінками. Наявність западин обумовлена великою роботою виходу діелектричних матеріалів порівняно з провідниками та напівпровідниками. Якщо неоднорідності будуть із провідників з меншою роботою виходу, то на зображенні спостерігатиметься виступ. Якщо зразок є неоднорідним провідником, то має місце зміна роботи виходу в точці поверхні.

Блок-схему СТМ, що працює в режимі постійного тунельного струму і складається з трьох п’єзодвигунів, наведено на рис. 4.8. П’єзодвигуни виготовляються з п’єзокераміки, яка забезпечує коефіцієнт перетворення електричної енергії у механічну на 40%. Двигуни X та Y здійснюють переміщення голки поперек поверхні. Напруги для сканування по поверхні (Ux та Uy) подаються від схеми розгортки (6). Двигун Z забезпечує відстань між голкою та зразком на рівні, що підтримує постійний тунельний струм. Напруга Uz на даний п’єзоелемент подається від схеми (7). Напруга U_Т та реєстрація тунельного струму подається та здійснюється за допомогою блоку реєстрації (4). Керування мікроскопом загалом проводиться за допомогою комп’ютера (5). Він здійснює також оброблення результатів досліджень та видає на дисплей і принтер картину зображення.

Конструктивні особливості СТМ визначаються, виходячи із задачі досліджень. Наприклад, мікроскоп може

Рисунок 4.8 – Спрощена блок-схема СТМ: 1 - зразок; 2 - голка; 3 - п’єзосканер; 4 - блок реєстрації; 5 - комп'ютер; 6 - схема керування двигуном X, Y; 7 - схема керування двигуном Z

входити до комбінованого приладу. Тоді його конструктивні особливості повинні забезпечувати роботу паралельно із базовим приладом. На конструкцію впливає також середовище, в якому проводяться дослідження, та температура зразка. Від мети використання приладу залежить і розмір мікроскопа. Наприклад, у літературі описуються прилади, лінійні розміри яких становлять
10-20 см.

СТМ являє собою незамінний інструмент для дослідження мікротопології поверхні твердого тіла. На рисунку 4.9 як ілюстрація представлене зображення топології поверхні монокристалу кремнію, яка має яскраво виражені виступи.

Цікавим та перспективним є застосування СТМ для вивчення поверхні на атомарному рівні як неорганічних, так і органічних речовин. Для цього об’єкт досліджень повинен знаходитись у вакуумі, а голка закінчуватись

Рисунок 4.9 – Топограма поверхні кремнію [3]

одним атомом. На рисунку 4.10 наведено знімок поверхні з атомною роздільною здатністю кристалу пірографіту.

Рисунок 4.10 – Топограма поверхні