Нанотехнологии на основе СТМ.

Манипуляция атомами и молекулами осуществляется

1.Силами Ван дер Вальса, или короткодействующими силами химической связи на близких расстояниях.

2.Кулоновскими силами электрического поля (в туннельном зазоре в области острия создаются поля до ). Достаточными для вырывания атома с поверхности .

3.Неупругим туннелированием электронов. При столкновении с атомами поверхности туннелирующие электроны вызывают электронное или колебательное возбуждение молекулы, что может сопровождаться десорбцией, диссоциацией, или изменением конфигурации молекулы.

Горизонтальное перемещение атомов за счет взаимодействия зонда с атомами +поверхности. Схема перемещения приведена на рис.252.

Рис.вверху а) схема перемещения атома адсорбата по поверхности подложки.

б) аббревиатура «IBM» выполненная методом перемещения атомов ксенона на поверхности пластины никеля.

Рис. Внизу а) стадии сборки «атомного загона» б) загон в завершенном виде внутри видны дифракционные кольца.

Зонд помещается над выбранным атомом адсорбата ( положение1) и подводится к нему на такое расстояние2, чтобы сила притяжения атом к зонду была достаточна для следования атома за зондом. Далее зонд с атомом перемещается до заданного положения3. Затем зонд поднимается положение 4, атом остается на новом месте поверхности. Так было написано название «IBM» атомами ксенона на поверхности кристалла никеля. Высота каждой буквы 5нм. Скорость движения зонда 4 нм/сек. Температура 4 К. Другой пример атомной сборки – «квантовый загон для электрона. Загон образован 48 атомами железа на поверхности пластинки кремния. Радиус кольца из атомов железа-7Ю3 нм. Концентрические кольца внутри загона - стоячие волны де Бройля электрона захваченного этой ловушкой. Светлые кольца соответствуют максимумам интенсивности волн де Бройля.

Нанолитография на основе СТМ.

В нанотехнологиях с применением СТМ производится локальная модификация поверхности в нанометровом масштабе посредством локального воздействия зондом на поверхность. Используются различные процессы взаимодействия зонда с поверхностью. Эти процессы происходят при следующих условиях:

Наличия локальных электрических полей с напряженностью 10⁸ В/см. в областях на поверхности.

Высокие плотности токов электронной эмиссии с острия >10⁸ А/см².

Локальным разогревом подложки сверхплотным электронным пучком.

Полевое испарение атомов с зонда или подложки под действием электрического поля.

Локальные химические реакции в газовых или жидких средах.

Сканирующий атомно-силовой микроскоп.(АСМ) Сконструирован Г.Биннингом с сотрудниками в 1986 г. В АСМ силовое взаимодействие между зондом и поверхностью используется для получения сигнала. В рассматриваемом варианте используются межатомные силы притяжения и отталкивания. Здесь проводимость подложки роли не играет и можно осуществлять измерения на проводящих материалах, а также на диэлектриках, органических и биологических материалах .АСМ более универсален чем СТМ.

Принцип работы АСМ. Поверхность образца1 сканируется зондом 2.Зонд крепится на очень чувствительной к деформации консоли3. которую называют кантилевером. основание кантилевера 4 скреплено с трехкоординатным пьезосканером состоящим из трех пьезоэлементов, которые управляются тремя напряжениями как в СТМ.

Контактный режим работы кантилевера. На рис 258 представлена сила +межатомного взаимодействия между острием зонда и поверхностью.

Рис. а) Схема зондового датчика атомного силового микроскопа и оптической регистрации изгиба кантилевера.

б)График зависимости силы межатомного взаимодействия от расстояния между концом зонда и поверхностью.

Моделью взаимодействия является потенциал Ленарда-Джонса. При сближении из далека между ними возникает сила притяжения область2.на некотором расстоянии электронные облака атомов начинают отталкиваться силой электростатического отталкивания. на расстоянии эти силы уравновешиваются. При сближении суммарная сила становится положительной, отталкивающей(атомы вступили в контакт). Если прижимать зонд к образцу упругой силой кантилевера, то он станет изгибаться, но расстояние между острием и поверхностью не изменится и остается практически равным .

В контактном режиме обеспечивается постоянство силы действующей на зонд. Оператор задает определенную величину прогиба кантилевера. Обозначим её . Если при сканировании зонд встречает впадину или выступ, то прогиб меняется на величину .Оптическая система АСМ это регистрирует. Луч лазера5 отражается от верхней поверхности кантелевера и попадая в фотодетектор6(полупроводниковый диод),регистрирующий фототок при изгибе консоли. Значение фототока поступает в систему обратной связи, которая изменяет напряжение на пьезодвигателе, который поднимает или опускает кантилевер с зондом в зависимости от знака разности . Таким образом, прогиб кантилевера поддерживается постоянным и равным .

При сканировании напряжение на -пьезодвигателе записывается в память компьютера. Визуализация изображения поверхности аналогична рассмотренному для СТМ. Контактный режим используется для исследования поверхностей с высокой твердостью и прочностью. Недостаток режима –вероятность повреждения зонда.

Бесконтактный режим работы кантилевера. используются межатомные силы притяжения в области 2 «склон до дна ямы». Расстояния от острия до поверхности . В области расстояний, соответствующих бесконтактному режиму наклон кривой меньше, чем в области отталкивания. Поэтому при изменении расстояния между острием и образцом кантилевер отклонятся значительно меньше, чем в контактном методе.

Применяется резонансный метод. Используется дополнительный пьезоэлемент, который вызывает колебания кантилевера на частоте (обычно 0,2-0,3 МГц) близкой к его собственной (резонансной частоте) с амплитудой в несколько нанометров. Величина резонансной частоты зависит от наличия внешней силы, поэтому при сканировании происходит изменение резонансной частоты из-за изменения расстояния . Система обратной связи поддерживает резонансную частоту постоянной, опуская или поднимая кантилевер, когда зонд находится над впадиной или выступом. Так сохраняется среднее расстояние между острием и поверхностью. Данные о вертикальных перемещениях сканирующего устройства используются для формирования изображения.

Преимущества бесконтактного режима - возможность работы с мягкими и эластичными материалами и материалами, свойства которых меняются при касании зонда(полупроводниковые кристаллы и структуры). Если на поверхности имеется несколько монослоев воды, то в контактном режиме АСМ дает изображение поверхности ,а в бесконтактном режиме -изображение слоя воды.

Полуконтактный режим работы кантилевера (режим обстукивания). Кантилевер колеблется на резонансной частоте с большой амплитудой (от несколько десятков до 100 нм) и в амплитуде касается поверхности (обстукивает её). При сближении зонда и образца происходит изменение резонансной частоты колебаний и увеличивается их демпфирование (затухание) за счет ударов о поверхность. Это приводит к уменьшению частоты колебаний. Система обратной связи поддерживает амплитуду колебаний постоянной, поднимая или опуская кантилевер. Данные о вертикальных перемещениях кантилевера используются для формирования изображения.

В режиме «обстукивания» достигается атомное разрешение. Вероятность повреждения меньше чем в контактном режиме, так как давление зонда на несколько порядков слабее и зонд не цепляется за неровности поверхности, чтобы зонд мог проходить через слой воды до поверхности подниматься обратно, вертикальная сила должна быть больше капиллярной силы.

Разрешающая способность АСМ. Силы взаимодействия атомов острия и поверхности быстро уменьшаются с расстоянием, вертикальное разрешение ограничено собственными шумами системы детектирования и тепловыми флуктуациями кантилевера. Вертикальное разрешение и не хуже 0,1 нм. В горизонтальной плоскости разрешение зависит от радиуса острия зонда. Расстояния между зондом и поверхностью, от сил взаимодействия упругости образца. С помощью АСМ получают изображения кристаллических поверхностей с реальным атомным разрешением

Зондовые датчики АСМ. Зондовый датчик АСМ - это кантилевер с зондом на конце его параметры:

радиус кривизны острия зонда .Длина острия . Форма кантилевера прямоугольная и -образная.

Коэффициент упругости(жесткость) определяет чувствительность кантилевера т.е. соотношение между силой действующей на зонд и отклонением кантелевера (аналог силы упругости ) .

Собственная (резонансная частота изгибных колебаний) важна для выбора колебательных режимов работы АСМ.

Из модифицированных зондов рассмотрим зонд с углеродной трубкой с закрытыми концами. Нанотрубка диаметром около 0,5 нм прикрепляется к кремниевому зонду. При сканировании она, касаясь поверхности, изгибается, не ломаясь, и защищает зонд и обеспечивает более высокое разрешение.

Кантилеверы можно использовать в качестве сенсоров. Термически чувствительный кантилевер покрыт пленкой с коэффициентом теплового расширения большим чем у тела кантилевера. Такой кантилевер изгибается при изменениях температуры на 10^-5К.

Кантилеверы с прикрепленной биомолекулой на кончике острия обнаруживает отдельные молекулы в растворе.