Принцип действия и конструкция СТМ

В конструкцию СТМ входят следующие узлы элементы (рис. 58).

1. Зонд – атомарно острая игла. Иглы обычно изготавливаются из металлической проволоки (например, W, Pt-Ir, Аu). Подготовка атомарно острой иглы включает в себя предварительную обработку иглы (механическая полировка, скол или электрохимическое травление) и последующую обработку СВВ камере (отжиг, испарение полем) или «мягкое крушение» иглы касанием поверхности образца.

2. Система перемещения зонда относительно образца. Фактически это сканер для растрового движения иглы по исследуемой поверхности образца. Состоит из трех пьезоэлементов, выполненных из материалов, которые изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения. Каждый из них перемещает иглу по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам (рис. 59). Пьезоэлектрические элементы используются в сканерах в качестве электромеханических преобразователей, преобразующих электрический сигнал от 1 мВ до 1 кВ в механическое движение в диапазоне от долей Å до нескольких мкм.

Система обратной связи. Она фиксирует значение функции, зависящей от величины тока (расстояния) между иглой и образцом, либо перемещения иглы по оси Z. Регистрируемое значение обрабатывается системой обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат.

Рис. 58. Схематическое изображение СТМ	Рис. 59. Система перемещения зонда

Система сбора данных и преобразования их в трехмерное изображение поверхности исследуемого образца. При сканировании поверхности образца в направлении X и (или) Y с одновременным измерением выходного сигнала в цепи Z после обработки данных компьютером можно получить также картину поверхностной структуры на атомном уровне.

Конструкция СТМ включает также систему грубого подвода для того, чтобы подвести иглу к образцу на расстояние туннельного контакта, а если необходимо (например, для смены образца) отвести иглу назад на достаточное расстояние (несколько мм).

Для стабильной работы СТМ необходимо, чтобы изменения в расстоянии промежутка игла-образец, вызванные вибрациями, не превышали ~0,01 Å. Необходимая виброзащита достигается подвешиванием внутреннего блока СТМ с иглой и образцом на очень мягких пружинах. Эффективное демпфирование колебаний осуществляется за счет взаимодействия вихревых токов, возбуждаемых в медных пластинах, прикрепленных к внутреннему блоку СТМ, и магнитного поля внешнего постоянного магнита.