Зондовые нанотехнологии

Существуют два основных вида сканирующих зондовых микроскопов; туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп, которые являются основными аналитическими приборами в нанотехнологии.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) изобретен сотрудниками швейцарского отделении корпорации IBM Г.Бингом и Г.Рорером в 1981 г. для исследования структуры и профиля поверхности с атомным разрешением. В основе принципа действия СТМ положена резкая зависимость туннельного тока от ширины потенциального барьера.

Туннельный ток через тонкий вакуумный промежуток между двумя металлами. На +рис 242[нанотехнологии в электронике] представлена энергетическая диаграмма двух одинаковых металлов разделенных вакуумным промежутком.

Рис. Энергетическая диаграмма двух одинаковых металлов 1слева и 2-справа. -ширина вакуумного промежутка. -энергия Ферми 1-го металла. -энергия вследствие разности потенциалов. -туннельный ток.

Пунктирная кривая вверху- потенциальный барьер на границе металла1 с вакуумом, А- работа выходи электрона из металла. Между двумя металлами возникает потенциальный барьер ширины показанный сплошной кривой. При узком барьере электроны могут туннелировать через барьер. При нулевом напряжении туннельного тока нет, т.к. число переходов встречных переходов между металлами 1 и 2 одинаково. Если напряжение , то энергетические уровни металла 2 понижается относительно уровней металла 1 на величину пропорциональную приложенному напряжению .Возникает электрический ток обусловленный туннельными переходами электронов металла1 через вакуум на свободные уровни металла 2:

Где -усредненная величина барьера, и - постоянные.

Туннельный ток экспоненциально возрастает при линейном уменьшении ширины барьера.

Схема и принцип действия СТМ. Принципиальная схема приведена на рис 244.+

Рис а)Принципиальная схема сканирующего туннельного микроскопа (СТМ).

1-металлический зонд. 2- образец, 3-трехкоординатный поверхностный стол, 4- трехкоординатный пьезодвигатель.5-компьютерная система. 6-система обратной связи. -пьезоэлементы, -управляющие напряжения. -туннельный ток., -туннельное напряжение.

б) схема движения зонда вдоль оси при работе СТМ в режиме постоянного тока.

+Металлический зонд 1 перемещается по трем направлениям относительно поверхности образца. Перед началом измерения с помощью трехкоординатного подвижного стола 3 производится грубое позиционирование зонда. Диапазон перемещений стола по трем направления составляет несколько сантиметров, точность позиционирования 0,1-1 мкм. Посредством перемещения стола исследуемый участок образца подводится к зонду на расстояние .

Тонкое сканирование и прецизионное вертикальное перемещение зонда осуществляется трехкоординатным пьезодвигателем 4. Пьезодвигатель состоит из трех пьезоэлементов , каждый из которых изменяет свою длину пропорционально приложенному напряжению . При изменении любого напряжения из зонд смещается в соответствующем направлении.

Движением зонда управляет компьютерная система 5. На пьезоэлементы подается пилообразное напряжение, задающее сканирование в направлениях и задающее сканирование зонда в направлениях и . Размер скана может быть до нескольких микрометров, длительность записи одного кадра - от 0,5 сек до нескольких минут. Зонд движется вдоль строки (направление ), сначала в прямом, потом в обратном направлении. Затем переходит на следующую строку (направление ). Запись информации с зонда производится на прямом проходе.

В рабочем режиме расстояние между зондом и образцом по оси контролируется системой обратной связи 6. На двигатель подается напряжение обратной связи . Тогда двигатель подводит зонд к поверхности образца на такое расстояние, при котором туннельный ток достигает заданной величины. Типичные значения туннельного промежутка ,значения тока , .

Наиболее часто СТМ работает в режиме постоянного тока, когда . Постоянство тока поддерживается системой обратной связи, в которой значение сравнивается с заданным . С выхода обратной связи на пьезодвигатель подается напряжение , под действием которого двигатель поднимает зонд на выступом или опускает над впадиной, до тех пор пока ток не достигнет постоянного значения . Схема движения зонда при сканировании в направлении показана на рис б. -расстояние между зондом и поверхностью (туннельный промежуток).

Формирование изображения . Значения функции для каждой пары координат поступают в компьютерную систему сбора, визуализации и анализа данных.Совокупность величин обычно представляет квадратную матрицу состоящую из 256 элементов. После обработки данных по специальным программам производится их визуализация средствами компьютерной графики. Изображения бывают двумерными и трехмерными . При 2D-визуализации каждой точке поверхности ставится в соответствие определенный цветовой фон. Выступы- светлые тона, впадины-темные тона. Остальные точки- промежуточные тона. На рис 246 представлено первое+ изображение поверхности кремния с атомным разрешением , полученное Биннингом и Рорером с помощью их СТМ.

При -визуализации изображение поверхности строится в аксонометрической поверхности. Дополнительно моделируются условия подсветки поверхности точечным источником, расположенным в некой точке пространства над поверхностью см рис .

Характеристики СТМ. Разрешение по нормали к поверхности составляет при изменении на 0,1 нм, туннельный ток меняется на порядок. Для острия из монокристалла вольфрама с осью кончик имеет форму пирамидки, завершающейся 1-3 атомами. Если на конце находится один атом, СТМ дает предельное (атомное) разрешение позволяющее «видеть» отдельные атомы. Обычно разрешение достигается 1нм.

Зонды СТМ проводящие ,металлические с радиусом из вольфрама, сплава иридия с платиной. Мягкие –золото. Вольфрамовые зонды получают электрохимическим методом; или косым перерезыванием ножницами сплава .

Недостаток СТМ . исследуются только проводящие поверхности. Регистрируются не атомы ,а распределение электронной плотности на поверхности.

Преимущества СТМ.