3. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Энергетическая диаграмма туннельного промежутка. Принципиальная схема СТМ. Пространственное разрешение СТМ. Основные режимы работы.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) – первый из семейства зондовых микроскопов - был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. В своих работах они показали, что это достаточно простой и весьма эффективный способ исследования поверхности с пространственным разрешением вплоть до атомарного. Настоящее признание данная методика получила после визуализации атомарной структуры поверхности ряда материалов и, в частности, реконструированной поверхности кремния. В 1986 году за создание туннельного микроскопа Г. Биннигу и Г. Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике.

Сканирующая туннельная микроскопия

Основными компонентами сканирующего туннельного микроскопа (рис. 2) являются:

1.Атомарно острая игла. Иглы обычно изготавливаются из металлической проволоки (например, W, Pt-Ir, Аu). Процедура подготовки атомарно острой иглы включает в себя предварительную обработку иглы ex situ (такую как механическая полировка, скол или электрохимическое травление) и последующую обработку in situ в СВВ камере (такую как отжиг, испарение полем или даже «мягкое крушение» («soft crash»)) иглы касанием поверхности образца.

2.Сканер для растрового движения иглы по исследуемому участку поверхности образца. Пьезоэлектрические керамики используются в сканерах в качестве электромеханических преобразователей, так как они могут преобразовывать электрический сигнал от 1 мВ до 1 кВ в механическое движение в диапазоне от долей Å до нескольких мкм.

3.Электронная цепь обратной связи, для контроля величины промежутка игла образец.

4.Компьютерная система для управления положением иглы, сбора данных и преобразования данных в изображение.

 

 

Рис. 2. Схематическая иллюстрация установки СТМ

 

5.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).

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

 

 

Рис. 3. Схематическое изображение СТМ

 

Рассмотрим принцип работы СТМ. Очень острая игла микроскопа помещается настолько близко к исследуемой поверхности, что волновые функции наиболее близкого атома иглы и атомов поверхности образца перекрываются. Это условие выполняется при величине промежутка игла-образец ~5—10 Å. Если приложить напряжение V между иглой и образцом, то через промежуток потечет туннельный ток. В упрощенной форме плотность туннельного тока j может быть представлена как:

          (1)

где d – эффективная ширина туннельного промежутка, D(V) – отражает плотность электронных состояний, А - константа, а ϕ_В ~ эффективная высота барьера туннельного перехода (рис. 4).

Рис. 4. Энергетическая диаграмма туннельного контакта иглы СТМ и металлического образца. E_F1 и E_F2 - уровни Ферми поверхности и иглы, ϕ₁ и ϕ₂ - работы выхода поверхности и иглы, ϕ_B - эффективная высота барьера, d - эффективная ширина туннельного промежутка, а V - приложенное напряжение. Диаграмма иллюстрирует ситуацию, когда СТМ зондирует незаполненные электронные состояния поверхности

 

Рис. 5. Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер

в туннельном микроскопе

 

Экстремально высокое разрешение СТМ по вертикали обусловлено сильной зависимостью туннельного тока от ширины промежутка. Изменение промежутка на Δd = 1Å приводит к изменению тока на порядок величины, или, если ток поддерживается постоянным с точностью 2%, то промежуток остается неизменным с точностью 0,01Å. Что касается горизонтального разрешения СТМ, то оно определяется тем фактом, что до 90% туннельного тока протекает через промежуток между «последним» атомом иглы и ближайшим к нему атомом поверхности (рис. 6).  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. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. 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. В СТМ можно различить атомы поверхности, находящиеся на расстоянием ~2Å друг от друга.

 

 

Рис. 6. Протекание тока через туннельный промежуток

 

Сканируя иглой вдоль поверхности, можно получить картину топографии поверхности. Однако нужно иметь в виду, что СТМ чувствительна не столько к положению атомов, сколько к локальной плотности электронных состояний. Когда потенциал иглы положительный по отношению к образцу, то картина СТМ соответствует картине заполненных состояний. При отрицательном потенциале на игле получают картину незаполненных состояний (рис. 7). Следовательно, максимумы на картине СТМ могут соответствовать и топографическим выпуклостям, и участкам с повышенной плотностью состояний.

 

 

Рис. 7. Энергетическая диаграмма туннельного контакта иглы СТМ и металлического образца. U_s < 0: Картина (СТМ изображение) заполненных электронных состояний образца (ток течет с иглы на образец). U_s > 0: Картина свободных (незанятых) электронных состояний образца (ток течет с образца на иглу).

 

В сканирующей туннельной микроскопией есть пять основных варьируемых параметров. Это горизонтальные координаты х и у, высота z, напряжение V и туннельный ток I. В зависимости от того, как эти параметры варьируются, выделяют три основные режима работы СТМ:

• Режим постоянного тока. В этом режиме I и V поддерживаются постоянными, х и у меняются в ходе сканирования иглы, а z измеряется.

• Режим постоянной высоты, который также называют режимом токового изображения. В этом режиме z и V поддерживаются постоянными, х и у меняются в ходе сканирования, а I измеряется.

• Сканирующая туннельная спектроскопия (СТС). Это целый набор режимов, в которых варьируется V.

Режим постоянного тока. Это наиболее часто используемый режим получения картин СТМ. В этом режиме игла движется вдоль поверхности при постоянных напряжении и токе. Для поддержания величины тока постоянной при фиксированном напряжении система слежения постоянно подстраивает вертикальное положение иглы, варьируя напряжение V_z на Z-пьезоэлектрическом элементе. В идеальном случае гомогенной (с электронной точки зрения) поверхности, постоянство тока означает неизменность величины промежутка между иглой и поверхностью, то есть игла в ходе сканирования повторяет все особенности топографии поверхности (рис. 8, а). Высоты особенностей на поверхности определяются из величины V_z. В результате, измеряют высоту рельефа поверхности z(x,y) как функцию положения иглы на поверхности. Достоинства режима постоянного тока заключаются в возможности работы с поверхностями, которые необязательно атомарно гладкие, а также в возможности количественно определять высоты по величине V_z и чувствительности пьезо-элеменга. Недостаток ограниченная скорость сканирования из-за конечного времени отклика следящей системы.

 

 

Рис. 8. Схематическая иллюстрация работы СТМ: а – в режиме постоянного тока; б – в режиме постоянной высоты

 

Режим постоянной высоты. В этом режиме иглой сканируют вдоль поверхности при постоянном значении V_z, а измеряют туннельный ток как функцию положения иглы (рис. 8, б). Напряжение между иглой и образцом поддерживается постоянным, а постоянная цепь обратной связи велика, либо обратная связь отключена. В этом случае сканирование иглы можно вести го значительно большей скоростью но сравнению с режимом постоянного тока, так как от следящей системы не требуется реакции на все особенности поверхности, проходящие под иглой. Эта возможность особенно ценна при изучении динамических процессов в реальном масштабе времени, в частности, при съемке СТМ-видео. Недостатки же следующие: режим применим только для относительно гладких поверхностей; количественное определение высот рельефа из изменения туннельного тока не столь простое, так как для него требуется независимое определение ϕ_В^1\2 для калибровки z.