Агафонов Кирилл
Проектно-исследовательская работа
Скачать:
Предварительный просмотр:
ГОУ Средняя общеобразовательная школа №301
Московский Государственный Технологический Университет
“Станкин”
Проектно-исследовательская работа
на тему:
“Туннельный микроскоп как инструмент нанотехнологий”
Выполнил: ученик 11а класса
Агафонов Кирилл Сергеевич
Научный руководитель: кандидат технических наук
Богомолов Алексей Валентинович
Учитель физики: магистр техники и технологий
Пестрецов Владимир Викторович
Москва, 2006г.
1.Введение…………………………………………………..3
2. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа…………………………………………………4
2.2. Что такое туннельный эффект?....................................4
3. Технические возможности туннельного микроскопа...9
3.2. Области применения………………………………….10
4. Нанотехнологии. Перспективы развития…………...…12
5.Заключение…………………………………………….…16
6.Список литературы………………………………………17
1. Введение.
Физика поверхностных явлений в настоящее время является одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки. Именно на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твердого тела основаны успехи современных микро и наноэлектроники , исследование разнообразных электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел. Остается актуальной задачей и заветное желание ученых на протяжении многих лет - непосредственное наблюдение за поведением отдельных атомов на поверхности твердого тела и изучение процессов с участием одиночных или небольших групп атомов.
Первостепенное значение для понимания свойств любого объекта имеет знание его атомной структуры, поэтому определение поверхностных структур - один из наиболее важных разделов физики поверхности. Последние 30 лет микроструктура поверхностей твердых тел интенсивно изучалась методами дифракции и рассеяния электронных и ионных пучков. Однако большинство этих методов первоначально разрабатывалось для исследования объемной структуры твердых тел, поэтому они не всегда годятся для получения информации о структуре поверхности, тем более на атомном уровне. Изобретение в 1982 году Г. Биннигом и Г.Рорером сканирующего туннельного микроскопа , который не накладывает ограничений на размеры образцов, реально открыло двери в новый микроскопический мир.
2 . Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа .
По своей природе электрон обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Расчеты показывают, что волновые функции электронов в атоме отличны от нуля и за пределами сферы, соответствующие поперечнику эффективного сечения атома (размеру атома). Поэтому при сближении атомов волновые функции электронов перекрываются раньше, чем начинает существенно сказывается действие межатомных сил отталкивания. Появляется возможность перехода электронов от одного атома к другому. Таким образом, возможен обмен электронами и между двумя телами, сближенными без соприкосновения, то есть без механического контакта.
- у одного тела должны быть свободные электроны (электроны проводимости), а у другого – незаполненные электронные уровни, куда могли бы перейти электроны;
- между телами требуется приложить разность потенциалов, и её величина несоизмерима мола в сравнении с той, что требуется для получения электрического заряда при пробе воздушного диэлектрического зазора между двумя телами.
Электрический ток, возникающий при заданных условиях, объясняется туннельным эффектом и называется туннельным током.
2.2. Что такое туннельный эффект?
Туннельным эффектом называется возможность элементарной частице,
Например электрону, пройти (протуннелировать) через потенциальный барьер, когда энергия барьера выше полной энергии частицы. Возможность существования туннельного эффекта в микромире была понята физиками в период создания квантовой механики, в 20-30-х годах нашего века. В дальнейшем за счёт туннельного эффекта были объяснены некоторые весьма важные явления, обнаруженные экспериментально в различных областях физики.
Рис.1 а - принцип действия СТМ: р x , р y , р z - пьезоэлементы; - туннельный вакуумный промежуток между острием-зондом и образцом; I t - туннельный ток; б - схема, иллюстрирующая работу СТМ. Туннельный ток, возникающий при приложении напряжения V s , поддерживается постоянным за счет цепи обратной связи, которая управляет положением острия с помощью пьезоэлемента р z . Запись осциллограммы напряжения V z в цепи обратной связи при одновременном воздействии пилообразного напряжения развертки вдоль осей x и y образует туннельное изображение, являющееся своего рода репликой поверхности образца |
Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно прост, но кардинально отличается от всех предшествующих методик, применявшихся в физике поверхности. Тонкое металлическое острие, смонтированное на электромеханическом приводе (X , Y , Z -позиционере), служит зондом для исследования участков поверхности образца (рис. 1 а ). Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние , то при приложении между острием и образцом небольшого (от 0,01 до 10 В) напряжения смещения V s через вакуумный промежуток начинает протекать туннельный ток I t порядка 10 -9 . Полагая, что электронные состояния локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении X и / или Y с одновременным измерением выходного сигнала в цепи можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне.
Существуют два варианта режима работы СТМ: режим постоянной высоты и режим постоянного тока.
А б |
Рис.2 . Варианты работы СТМ. а)Режим постоянной высоты. Б)Режим постоянного тока. |
При работе в режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над исследуемой поверхностью (рис.2а). Туннельный ток при этом изменяется и по этим изменениям легко может быть определен рельеф поверхности образца.
При работе в режиме постоянного тока (рис.2б) используется система обратной связи, которая поддерживает постоянным туннельный ток за счет перемещения острия иглы в вертикальном направлении. В этом случае информация о рельефе поверхности получается на основании данных о перемещении иглы.
Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике, а электронное туннелирование с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления СТМ (как и контактная спектроскопия). Все это делает СТМ уникальным микроскопом, который не содержит линз, а значит, изображение не искажается из-за аберраций, энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопии высокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов.
Несмотря на свою простоту, конструирование и изготовление СТМ до сих пор остается трудной задачей. Даже в наши дни существует немного лабораторий, располагающих СТМ, которые работали бы с истинно атомным разрешением. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные СТМ, работающие в условиях криогенных температур. В дальнейшем будем говорить только о сверхвысоковакуумных СТМ, работающих при комнатной температуре. Перечислим основные проблемы, стоящие перед разработчиками:
1) изоляция от акустических и механических вибраций;
2) создание быстродействующей малошумящей электроники, работающей в широком динамическом диапазоне;
3) обеспечение надежных сверхвысоковакуумных условий, допускающих различные манипуляции с образцом;
4) изготовление тонких атомногладких острий-зондов и их диагностика.
Для решения первоначально казавшейся непреодолимой проблемы виброизоляции Бинниг и Рорер в своей первой конструкции использовали даже сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла. В дальнейшем эту проблему удалось решить используя специальную подвеску в вакууме всего микроскопа на длинных пружинах и разместив сканирующий узел на массивном виброизолирующем столике. Для подвода острия-зонда к образцу на расстояние , равное нескольким ангстремам, и сканирования вдоль поверхности использовался пьезодвигатель на основе пьезоэлектриков - это такие материалы, которые изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения (рис. 1 а).
Схема, демонстрирующая устройство СТМ и его работу, приведена на рис 1б. На пьезоэлемент p z подается напряжение с выхода усилителя обратной связи, которое определяет величину зазора между образцом и острием и тем самым величину туннельного тока. Сам туннельный ток должен быть все время пропорционален заданному току, что поддерживается благодаря управляемой компьютером цепи обратной связи. На пьезоэлементы p x и p y под управлением того же компьютера подаются пилообразные напряжения, формирующие строчную и кадровую развертки (растр) подобно тому, как это осуществляется в телевидении. Осциллограммы напряжения V z запоминаются компьютером, после чего преобразуются в зависимость z (x , y ), отображающую траекторию движения острия и, таким образом, являющуюся туннельным изображением поверхности образца. Как правило, записанные сигналы подвергаются фильтрации и дополнительной компьютерной обработке, позволяющей представить туннельные изображения в режиме так называемой серой шкалы, в котором контраст изображения коррелирует с рельефом поверхности: светлые пятна соответствуют более высоко расположенным областям и наоборот. И в процессе работы даже с первым вариантом СТМ в марте 1981 года (всего через 27 месяцев после того, как была сформулирована его базовая концепция!) была экспериментально доказана характерная для туннелирования экспоненциальная зависимость тока I t от расстояния острие-образец. День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии.
3. Технические возможности туннельного микроскопа.
Основными техническими характеристиками СТМ являются разрешение по нормали к исследуемой поверхности объекта и разрешение в плоскости XY. Реальное разрешение СТМ зависит от ряда факторов, основными из которых являются внешние вибрации, акустические шумы и качество приготовления зондов. На рис.3 показана структура свежего скола по кристаллографической плоскости высокоориентированного пиролитического графита.
Изображения структур на рис. 3, а, б, в получены в условиях низкого, среднего и высокого уровней помех.
Рис. 3. Изображение структуры поверхности свежего скола по кристаллографической плоскости (0001) высокоориентированного пиролитического графита при разных уровнях помех а, б, в.
Изображение структуры на рис.3, в получено в обычных лабораторных условиях, то есть при высоких уровнях помех.
Помимо разрешения микроскопа его важной характеристикой является полезное увеличение. Для СТМ полезное увеличение составит около 7 млн. раз (для сравнения: у оптического микроскопа - 1000 раз).
Другая важная характеристика СТМ – максимальный размер поля сканирования в плоскости XY и максимальное перемещение зонда по нормали к поверхности. Первые конструкции СТМ имели очень малое поле сканирования (не более 1 1 мкм).
Технические возможности СТМ могут быть существенно расширены. С этой целью проводят энергетический анализ туннелирующих электронов, т.е. получают спектральную зависимость туннельного тока.
3.2. Области применения .
1. Физика и химия поверхности на атомном уровне .
С помощью туннельной микроскопии удалось осуществить реконструкцию атомного строения поверхности многих материалов. СТМ позволяет получать спектр электронных состояний с атомным разрешением и определять химический состав поверхностного слоя, распределение потенциалов при протекании тока через образец и др.
2. Нанометрия – исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности образца.
3. Нанотехнологии – исследование, изготовление и контроль приборных структур в микроэлектронике.
На основе СТМ, в частности, возможны запись и воспроизведение информации. При записи используют эффект локального воздействия зонда на поверхность носителя информации. Это воздействие может быть механическим, создающим на поверхности искусственный рельеф в виде ямок – битов памяти. Искусственный рельеф может создаваться и путём термодесорбции. В этом случае зонд выступает в роли носителя материала для создания битов информации. Зонд может использоваться также и в роли точечного источника электронов для осуществления электронной литографии, химических или структурных локальных перестроек поверхности.
При записи информации методом электронной литографии (нанолитографии) через острие зонда пропускают кратковременно большой силы туннельный ток I т при повышенной разности потенциалов U , происходит эмиссия электронов или ионов с острия на поверхность объекта или наоборот, и образуются на поверхности ямки или впадины, которые и несут бит информации. Плотность записи достигает до 10 12 бит/см 2 . Для сравнения: плотность записи на современном накопителе информации, где использован магнитный эффект (магнитные диски), составляет 10 7 бит/см 2 , при лазерном воздействии (компакт диски - CD) – до 10 9 бит/см 2 .
4. Исследование биологических объектов – макромолекул (в том числе и молекул ДНК), вирусов и других биологических структур.
Следует отметить, что большая часть (примерно 80%) всех опубликованных работ относится к первой группе областей применения СТМ. В последнее время увеличивается количество публикаций относящихся к четвёртой группе.
5. СТМ имеет широкие перспективы в области материаловедения - при изучении микро-, суб- и кристаллических структур различных материалов. Объектами для исследования структуры материалов на СТМ могут служить, как и в других случаях (оптическая и электронная микроскопия), микрошлифы. Рельеф микрошлифа, получаемый при травлении, будет отражать структуру материала. Исследование рельефа на СТМ с высоким разрешением позволит выявить особенности, прежде всего, субструктурного строения. Представляется, что метод сканирующей туннельной микроскопии откроет широкие возможности для исследования дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций и т.д.), различных сегрегаций атомов, в том числе и при фазовых превращениях, особенно на их ранних стадиях. Определение, наряду с изучением структуры материала, химического состава локальных зон поверхностного слоя объекта (СТМ-спектроскопия), позволит составить конкуренцию растровой электронной микроскопии, микрорентгеноструктурному анализу, превосходя последний по уровню разрешения.
Работ в области материаловедения, особенно фундаментального характера, с использованием СТМ пока крайне мало. В настоящее время имеются работы по исследованию на СТМ некоторых металлов и сплавов, плёнок металлов толщиной от 0,5 нм, дифракционных решёток (изготовленных методами микроэлектроники и голографии), полупроводников, ферритовых головок, усталостных трещин в металлических материалах, углеродных микропористых фильтров, алмазоподобных плёнок, металлических монокристаллов, теплоизолирующих материалов на основе спечённых кварцевых волокон, порошковых материалов, алмаза и других природных камней, фуллеренов и подобных им образований, плёнок жидких кристаллов и др. Эти исследования в основном связаны с выявлением структуры различных материалов.
4 . Нанотехнологии. Перспективы развития.
Физики исследовательского центра компьютерного концерна IBM Almaden в Калифорнии решили применить для разработки новых вычислительных систем на нанометровом и атомарном уровне принцип домино. Роль камней домино выполняют молекулы, которые при "падении" образуют цепочки, позволяющие производить математические операции.
Для своих исследований ученые используют сканирующий туннельный микроскоп – изобретение немецкого физика Герда Биннинга (Gerd Binning), получившего за него Нобелевскую премию в 1986 году. Намагниченная игла микроскопа приближается почти вплотную к поверхности носителя, между ними – вследствие так называемого туннельного эффекта – возникает электрический ток. Его величина поддерживается на одном и том же уровне. По мере продвижения вдоль носителя игла то удаляется от поверхности, то приближается к ней, как бы "прощупывая" своеобразный атомарный "рельеф".
По большому счету, туннельный микроскоп во многом напоминает знакомый с детства проигрыватель пластинок, только в нём игла бежит не по неровностям виниловой дорожки, а по атомам поверхности носителя. Исследование рельефа проходит без непосредственного соприкосновения с поверхностью, но несмотря на это, исследователям уже удается перемещать атомы с места на место, выстраивая из них некое подобие детского конструктора Lego. Игла проигрывателя несёт по поверхности пластинки крохотные частицы пыли, как бы толкая их перед собой. То же самое способен проделывать и туннельный микроскоп, только с микрочастицами.
Уже давно физикам IBM удалось выложить фирменный знак (рис.4) своего концерна из отдельных атомов.
Рис. 4.
Фирменный знак
IBM.
Однако это, можно сказать, ничто по сравнению с результатами, которых недавно добился руководитель лаборатории Андреас Хайнрих (Andreas Heinrich):
"Мы показали, что способны не только рисовать на поверхности атомарные граффити, но и выстраивать активные логические структуры из отдельных атомов, что позволит в будущем использовать подобные технологии для создания сверхминиатюрных компьютеров".
Хайнрих и его коллеги работают не с атомами, а с незначительно превышающими их по размерам молекулами угарного газа. Согласно определённой схеме ученые расположили 550 молекул на поверхности с медным покрытием. Андреас Хайнрих приводит для наглядности аналогию с костяшками домино, падающими в определенной последовательности или остающимися стоять на поверхности стола. У костяшек есть всего две возможности – они или лежат, или стоят. Так же и с молекулами окиси углерода: они или остаются на своем месте или сдвигаются на одну позицию дальше.
По словам Андреаса Хайнриха, расстояние между двумя позициями составляет четверть нанометра. Молекула "перепрыгивает" на следующую позицию и сталкивает соседнюю молекулу с места. Таким образом возникает цепная реакция.
И самое важное: Хайнрих установил молекулы так, что они могут взаимодействовать друг с другом, встречаясь в условленных пунктах. Эти "места встреч" и являются элементами логических цепочек. Они справляются с простыми вычислительными операциями такими, например, как логическое умножение:
"Логическое умножение предусматривает два входных импульса и один выходной. Возникновение выходного импульса возможно лишь при подаче обоих входных. Это означает, что если поступил только один из них, то выходного импульса не будет".
В общей сложности физики выстроили шесть различных логических операций. Они соединены определенным образом и представляют собой своего рода вычислительную машину. Действие этого захватывающего представления разворачивается на поверхности размером в 12 на 17 нанометров. Для сравнения: в сегодняшних компьютерных чипах один транзистор занимает площадь в 2.000х2.000 нанометров. Итак, вычисления на нанометровом уровне стали реальностью.
Однако впадать в эйфорию рано. У этой многообещающей технологии есть один существенный недостаток: так же, как и ряды из костяшек домино, которые можно опрокинуть лишь один раз, исследователи вынуждены всё время выстраивать наши структуры от молекулы к молекуле. То есть, для того, чтобы произвести новое вычисление, необходимо при помощи туннельного микроскопа заново приводить каждую молекулу в её первоначальное состояние. А длится этот процесс может часами. Так что пока конкурировать с "Пентиумом" нано-домино не в состоянии:
"Необходимо иметь в виду, что речь здесь идет не о презентации готовой компьютерной технологии. Важно то, что эксперимент доказал возможность создания компьютерных систем на атомарном уровне".
Ученый поделился своими планами на будущее. Вместо того, чтобы приводить в движение молекулы механическим путем, физики при помощи электромагнитных полей будут менять направление вращения ядер атомов - "ядерные спины". Этим уже занимаются исследователи бостонской лаборатории MIT Media Lab, работающие над созданием так называемых "квантовых компьютеров", которые также работают со специальными молекулами.
5. Заключение .
Мы кратко рассмотрели историю создания СТМ и получения структурных и электронных изображений поверхности с атомным разрешением. С момента своего изобретения СТМ широко используется учеными самых разных специальностей, охватывающих практически все естественнонаучные дисциплины, начиная от фундаментальных исследований в области физики, химии, биологии и до конкретных технологических приложений. Принцип действия СТМ настолько прост, а потенциальные возможности так велики, что невозможно предсказать его воздействие на науку и технику даже ближайшего будущего.
6. Список литературы .
1. От субмикронной к нанотехнологии. / Ю.С.Борисов, В.В.Ракитин, Н.С.Самсонов/
2. Физические основы полупроводниковой нанотехнилогии. /Белявский В.И./
3. Нанотехнология с помощью СТМ. /Неволин В.К., Хлебников Ю.В., Шермегор Т.Д. /
4. Нанологические процессы и установки. /Лускинович П.Н./
5. Наноиндустрия и микросистемы. /Алексенко А.Г/
6. СТМ – измерительное средство нонотехнологии./А.Бычихин, М.О.Галлямов, В.В.Потёмкон, А.В.Степанов, И.В.Яминский/
Стр. из
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) был сотворен в 1982 г сотрудниками исследовательского отдела компании IBM Г. Биннигом и Х. Рёрером. Он открыл очень перспективные способности научных и прикладных исследовательских работ в области нанотехники и явился первым техническим устройством, при помощи которого была осуществлена приятная визуализация атомов и молекул. За создание СТМ Г. Бинниг и Х. Рёрер в 1986 году были удостоены Нобелевской премии по физике.
Механизм работы СТМ заключается в последующем: к поверхности проводящего эталона на свойственное межатомное расстояние , составляющее толики нанометра, подводится очень тонкое железное острие (игла). При приложении меж прототипом и иглой разности потенциалов ~ 0,11В в цепи (рис.4.13) возникает ток, обусловленный туннелированием электронов через зазор меж ними.
Туннельный ток составляет ~110нА, т.е. имеет величину, которую полностью можно измерить экспериментально.
Так как возможность туннелирования через возможный барьер экспоненциально находится в зависимости от ширины барьера, то туннельный ток при увеличении зазора меж иглой и поверхностью эталона Z убывает по экспоненте и миниатюризируется приблизительно на порядок при увеличении Z на каждые 0,1 нм. Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния обеспечивает очень высшую разрешающую способность СТМ.
Повдоль оси Z, перпендикулярной к поверхности эталона, разрешающая способность СТМ составляет ~ нм, а повдоль осей X,Y, параллельных поверхности эталона, ~ нм. Перемещая иглу СТМ повдоль поверхности эталона, т.е. осуществляя сканирование поверхности, можно получать информацию о рельефе поверхности с атомным пространственным разрешением.
Есть два варианта режима работы СТМ: режим неизменной высоты и режим неизменного тока. При работе в режиме неизменной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над исследуемой поверхностью (рис. 4.3а). Туннельный ток при всем этом меняется и по этим изменениям просто может быть определен рельеф поверхности эталона.
При работе в режиме неизменного тока (рис. 4.3б) употребляется система оборотной связи, которая поддерживает неизменным туннельный ток за счет перемещения острия иглы в вертикальном направлении. В данном случае информация о рельефе поверхности выходит на основании данных о перемещении иглы.
Общая схема СТМ приведена на рис. 4.4.
При помощи системы грубого подвода и позиционирования игла СТМ подводится к исследуемой поверхности на расстояние ~ 0,1 мкм. Предстоящее перемещение иглы и исследование поверхности проводится при помощи специального сканирующего устройства. Это устройство сделано из пьезоэлектрика, т.е. вещества, способного изменять свои линейные размеры при приложении к нему электронного поля, и позволяет перемещать иглу СТМ над поверхностью эталона с очень высочайшей точностью.
Одним из более принципиальных узлов СТМ является игла (острие), в качестве которой употребляется узкая проволока из вольфрама, ванадия либо другого проводящего материала. Для улучшения черт кончика острия его подвергают химическому травлению. Опыты демонстрируют, что травление острия с радиусом кончика мкм фактически обеспечивает разрешение на атомном уровне.
Управление движением сканирующего устройства и контроль за работой системы оборотной связи осуществляется компом. С его помощью проводится запись результатов измерения, их обработка и визуализация исследуемой поверхности. Обычные результаты исследовательских работ, выполненные при помощи СТМ, приведены на рис. 4.16, на котором представлены изображения молекул , адсорбированных на поверхности кристалла меди. Размеры по осям приведены в ангстремах (м).
Принципиально отметить, что СТМ, в отличие от других электрических микроскопов, не содержит линз и, как следует, получаемое в нем изображение не искажается из-за аберраций. Не считая того, энергия электронов, формирующих изображение в СТМ, не превосходит нескольких электронвольт, т.е. оказывается меньше соответствующей энергии хим связи, что обеспечивает возможность неразрушающего контроля исследуемого эталона. Напомним, что в электрической микроскопии высочайшего разрешения энергия электронов добивается сотен килоэлектронвольт, что приводит к образованию радиационных изъянов.
В текущее время перспективны последующие области внедрения СТМ:
- физика и химия поверхности на атомном уровне;
- нанометрия — исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности, процессов зародышеобразования при росте пленок, процессов хим либо ионного травления, осаждения и т.д.;
- нанотехнология — исследование и изготовка приборных структур нанометрового размера;
- исследование макромолекул, вирусов и других био структур.
На рисунке 4.6 представлено изображение «квантового кораллового рифа” поперечником 14,3 нм, сформированного атомами Fe на кристалле Cu.
Рис. 4.6 Двумерная квантовая яма (электрические потенциальные поверхности).
Необходимо подчеркнуть, что способности СТМ выходят далековато за рамки чисто микроскопичных задач. С его помощью, к примеру, можно вынудить атомы передвигаться повдоль поверхности и собирать из их искусственные структуры нанометровых размеров.
Рис. 4.7 Микро-механическая сборка в СТМ (молекулы СО на платине).
Рис. 4.8 Микро-механическая сборка в СТМ (атомы ксенона на никеле).
Такие способности СТМ делают его многообещающим инвентарем при разработке и разработке нанотехники грядущего поколения, к примеру, квантового компьютера . Сканирующий туннельный микроскоп явился макетом целого семейства более совершенных сканирующих микроскопов.
На базе СТМ был сотворен сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ), который позволяет изучить непроводящие вещества, микроскоп на магнитных силах, дающий возможность учить магнитные характеристики поверхности.
Все произнесенное выше о СТМ позволяет сделать последующее заключение: «Принцип деяния СТМ так прост, а потенциальные способности так значительны, что нереально предсказать его воздействие на науку и технику даже наиблежайшего грядущего».
Принцип действия СТМ основан на описанном выше туннельном эффекте, позволяющем наблюдать и даже контролировать положение отдельных атомов, т.с. работать с точностью до нескольких ангстрем, которая на сегодняшний день является максимальной для всех существующих научных и технических методик.
Устройство сканирующих туннельных микроскопов (рис. 5.6.1).
Рис. 5.6.1 Схема устройства и работы сканирующего туннельного микроскопа:!- х+у развертка: 2 - СТМ-изображение после компьютерной обработки;3 - образец: 4 - регулировка цепи обратной связи
Рабочим органом СТМ - зондом - служит токопроводящая металлическая игла. Зонд подводится к изучаемой поверхности на очень близкое расстояние (~ 0,5 нм) и, при подаче на зонд постоянного напряжения, между ними возникает туннельный ток, который экспоненциально зависит от расстояния между зондом и образцом. Это значит, что при увеличении расстояния лишь на 0,1 нм туннельный ток уменьшается почти в 10 раз. Именно это и обеспечивает высокую разрешающую способность микроскопа, поскольку незначительные изменения по высоте рельефа поверхности вызывают существенное изменение туннельного тока.
Поддерживая ток и расстояние постоянным при помощи следящей системы, зонд сканирует поверхность, перемещаясь над нею по осям X и Y, то опускаясь, то поднимаясь в зависимости от ее рельефа.
Информация об этом перемещении отслеживается компьютером, и программно визуализируется чтобы исследователь мог увидеть на экране объект с нужным разрешением.
Существуют два варианта конструкции СТМ в зависимости от режима сканирования образцов.
В режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирования изменяется (рис.
5.6.2- а). Исходя из данных о величине тока туннелирования, измеренной в каждой точке поверхности, строится образ ее рельефа.
В режиме постоянного тока СТМ задействуется система обратной связи для поддержания постоянного тока туннелирования путем подстройки высоты сканирующего устройства над поверхностью в каждой ее точке (рис.
Рис. 5.6.2- а; б Режимы работы СТМ.
У каждого режима есть преимущества и недостатки. Режим постоянной высоты быстрее, так как системе нс приходится передвигать сканирующее устройство вверх-вниз, но при этом можно получить полезную информацию только с относительно гладких образцов. В режиме постоянного тока можно с высокой точностью изучать сложные поверхности, но он занимает и больше времени.
Важной деталью сканирующего туннельного микроскопа является механический манипулятор, который должен обеспечивать перемещение зонда над поверхностью с точностью до тысячных долей нанометра. Обычно механический манипулятор изготавливают из пьсзоксрамичсского материала.
Удивительным свойством такого материала является пьсзоэффскт. Суть его заключается в следующем: если из пьсзоматсриала вырезать прямоугольную балку, нанести на противоположные стороны металлические электроды и приложить к ним разность потенциалов, то под действием тока произойдет изменение геометрических размеров балки. И наоборот: при малейшей деформации (сжатии) балки, на ее противоположных концах возникнет разность потенциалов. Таким образом, управляя малыми изменениями тока, можно добиться перемещения зонда на очень малые расстояния, необходимые для работы сканирующею микроскопа.
В практических конструкциях обычно используют пьезокерамические манипуляторы (рис. 5.6.3), выполненные в виде тонкостенной трубки с несколькими раздельными электродами. Управляющее напряжение вызывает удлинение или изгиб таких манипуляторов и, соответственно, перемещение зонда по всем трем пространственным координатам X, Y и Z.
Рис. 5.6.3
Конструкции современных манипуляторов обеспечивают диапазон перемещения зонда до 100-200 мкм в плоскости и до 5-12 мкм - по высоте.
Туннельный микроскоп позволил ученым исследовать поверхности на атомном уровне. Однако этот прибор имеет и ряд ограничений. Основанный на туннельном эффекте, он может применяться только для изучения материалов, хорошо проводящих электрический ток.
Изображения, полученные с помощью СТМ представлены на рис. 5.6.4
Рис. 5.6.4 Изображения, полученные на СТМ: а - поверхность графита, б- исследования связей в атоме углеродсодержащего соединения:
I - диаметр: 2 - угловая ямка: 3 - адатом: 4 - Rast-ятом .
С помощью сканирующего туннельного микроскопа можно разглядеть отдельные атомы вещества без обычного в таких исследованиях вакуума и при комнатной температуре.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), созданный 30 лет назад в лаборатории IBM в Цюрихе, с тех пор удерживает пальму первенства по разрешению среди прочих микроскопических методов - ведь он может «рассмотреть» отдельные атомы вплоть до водорода. И не просто рассмотреть – с помощью СТМ можно измерить электронную структуру поверхности, и даже «подвинуть» молекулу или даже отдельный атом.
Устройство сканирующего туннельного микроскопа.
Модификация зонда с помощью фуллерена.
Сканирование поверхности эпитаксиального графена с помощью модифицированного зонда.
Сканирование поверхности дисульфида молибдена с помощью модифицированного зонда.
Принцип работы СТМ основан на эффекте квантового туннелирования. В необычном мире квантовой механики электрону соответствует волновая функция. Она описывает распределение вероятности того, что электрон находится в определённом месте с определённой энергией – в пределах принципа неопределённости Гейзенберга. То есть невозможно определить положение или момент частицы с абсолютной точностью. Таким образом, если электрон находится рядом с потенциальным барьером (в случае туннельного микроскопа роль такого барьера играет промежуток между кончиком зонда и поверхностью), то существует конечная вероятность, что электрон может оказаться по другую сторону этого барьера – на поверхности образца. То есть, вопреки нашей «макро-интуиции», если бросить мячик-электрон об стенку-барьер, то он не отскочит, а туннелирует сквозь стенку и продолжит движение по другую её сторону.
Туннельный эффект сканирующего туннельного микроскопа позволяет изучать как топологию и структуру поверхности микроскопируемого образца, так и её химического состава (см. Рис.1). Прибор «сканирует» поверхность с помощью находящегося под напряжением зонда–иглы, тонкого настолько, что на его кончике умещаются всего несколько атомов. При расстоянии между зондом и поверхностью порядка 0,4–0,7 нм электрон туннелирует на поверхность образца. Ток таких электронов зависит от напряжения на зонде, локальной плотности состояний конкретного атома поверхности, а так же от расстояния между зондом и поверхностью (в последнем случае возникает экспоненциальная зависимость).
У СТМ есть два режима сканирования. При одном из них система обратной связи поддерживает заданное значение туннельного тока, и топография поверхности воспроизводится на основе последовательности движения зонда. При втором режиме зонд сохраняет заданное расстояние от поверхности, и микроскоп отслеживает изменения туннельного тока. В обоих случаях положение зонда отслеживается с помощью пьезо-элементов. Пьезоэлектриками называют материалы, которые меняют свой размер в зависимости от проходящего через них тока (и наоборот – при изменении размера в них меняется ток). Поскольку они обладают сверхточным откликом, они служат распространённым инструментом для очень точного перемещения объектов.
Обычно сканирование проходит в несколько этапов. Сначала, чтобы получить представление о топологии поверхности на данном участке, делается общий скан площадью порядка 1–1,5 микрон. Потом обследуется участок размером около 100 нм, выбранный на основе предыдущего скана, и так далее, пока не мы не дойдём уже до непосредственных измерений того, что нам нужно. Это может быть замер расстояний между атомами, изучение структуры поверхности, карта плотности атомных состояний; с помощью микроскопа можно также манипулировать конкретным атомом или молекулой. Разрешение СТМ в таких измерениях – около Ангстрема (0,1 нм) в плоскости и 0,01 нм в глубину.
Недавно было показано, что добавление некоторых молекул на кончик зонда СТМ улучшает разрешение микроскопа и его химический контраст. Обычно такие измерения проходят в ультраглубоком вакууме, при крайне низких (криогенных) температурах (4–100 градусов выше абсолютного нуля) и требуют идеально чистой поверхности. Такие эксперименты очень трудоёмки – например, ко всему прочему образцы приходится выращивать прямо внутри микроскопа, – и на каждое измерение уходит много времени.
Если бы СТМ удалось приспособить к комнатной температуре, это сильно помогло бы многим физикам, в том числе тем, кто работает с двухмерными кристаллами – графеном и многообещающим семейством дихалькогенидов переходных металлов. Их активно исследуют по всему миру, поскольку такие двухмерные кристаллы в перспективе позволят создавать наноэлектронику атомарной толщины с чётко определённой электронной структурой. В плане электронных и оптоэлектронных свойств интересны не только отдельные двухмерные кристаллы, но и так называемые гетероструктуры Ван дер Ваальса: «слоёный пирог» из графена, нитрида бора и вышеупомянутых дихалькогенидов.
Петер Нирмалрадж (Peter Nirmalraj ) из лаборатории IBM и его коллеги из Швейцарии, Ирландии и США разработал метод, позволяющий наблюдать поверхности в атомном разрешении при комнатной температуре. Исследователи модифицировали зонд СТМ, «прицепив» к нему фуллерен С 60 (который представляет собой шарообразную молекулу из 60 атомов углерода диаметром около 1 нм, похожую по структуре на футбольный мяч). Погружая зонд в силиконовое масло (вязкая неполярная химически инертная жидкость), мы стабилизируем фуллерен, и он дольше держится на кончике зонда. В то же время масло отлично защищает поверхность образца от воздействия атмосферы без необходимости откачивать камеру для измерений до ультраглубокого вакуума.
Как же посадить молекулу из 60 атомов на кончик зонда диаметром сопоставимого размера? Для этого на заранее подготовленную подложку наносится раствор, содержащий фуллерены заданного размера. Высушенная подложка сканируется с помощью зонда (см. Рис.2, над сканом указан туннельный ток во время измерения и напряжение на зонде). Кончик иглы приближается к выбранному фуллерену и «огибает» его, как показано на иллюстрации. При правильно подобранной комбинации напряжения на зонде и туннельного тока фуллерен цепляется за зонд. Затем делается тестовый скан того же участка, чтобы убедиться в правильной работе модифицированного зонда, и можно менять подложку с фуллеренами на кювету с образцами, погруженными в масло.
Гибридный зонд протестировали на образцах графена и дисульфида молибдена MoS 2 – популярного представителя дихалькогенидов переходных металлов. Измерения показали, что с такой конфигурацией микроскопа можно детально изучить структуру поверхности и точно определить длину межатомных связей – не хуже, чем при низкой температуре в вакууме.
Образец графена для эксперимента вырастили на поверхности кристалла карбида кремния (SiC) с помощью эпитаксии (то есть последовательного выращивания одного кристалла на поверхности другого). На Рис.3 хорошо видна граница между двухслойным и однослойным графеном, и чётко различимы атомы углерода в решётке из «сот». Также хорошо видна типичная «рябь» на поверхности однослойного графена – она стабилизирует двухмерную структуру и обычно не оказывает существенного влияния на электронные свойства.
На Рис.4 показаны измерения MoS 2 (его химическая структура изображена в виде шариков, соединённых «палочками» химической связи). На предварительном скане хорошо видна слоистость кристалла, и можно точно измерить толщину каждого слоя. Также видна периодическая «сетка Муара», которая возникает из-за несовпадения постоянной решётки MoS 2 и подложки из золота, на которой его растили. Для сравнения, период сетки Муара составляет около 32 Ангстрем (3,2 нм), тогда как постоянная решётки MoS 2 составляет 3,2 Ангстрема. Полностью результаты работы опубликованы в Nature Communications .
Главное же здесь в том, что зонд для СТМ с фуллереном смог правильно измерить межатомные расстояния и толщину слоёв графена и дисульфида молибдена. Это означает, что измерения при комнатной температуре и с погружением зонда в силиконовое масло не уступают результатам, полученным в вакууме и при низкой температуре. Помимо электронных свойств самих материалов и наноустройств их них, важным фактором является стабильность на воздухе, поскольку подобные структуры могут легко окисляться. Чтобы выбрать наиболее перспективные материалы и их комбинации для потенциальных приложений, наряду с электронными и структурными свойствами, важно оценить воздействие атмосферы и растворителей на кристаллическую и электронную структуру, и метод Петера Нирмалраджа позволяет провести такие измерения сравнительно легко и быстро.
Сканирующая зондовая микроскопия является одним из наиболее мощных методов изучения объектов нанотехнологии. Первым из зондовых микроскопов был сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). СТМ позволяет получать замечательные изображения отдельных атомов.
Работа СТМ основана на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер в вакууме между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле. Это схематично изображено на рис.1. Эффект туннелирования имеет квантовую природу и заключается в следующем. Существует отличная от нуля вероятность того, что частица (например – электрон) преодолеет потенциальный барьер даже в том случае, когда ее полная энергия (остающаяся при этом неизменной) меньше высоты барьера. В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояния в несколько ангстрем и образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер, величина которого определяется, в основном, значениями работы выхода электронов из материала зонда и образца. При приложении разности потенциалов между зондом и образцом между ними начинает течь электрический ток, вызванный туннелированием электронов.
Несмотря на то, что эффект туннелирования наблюдается только для квантовых объектов, для анализа работы СТМ часто можно обойтись без квантовой механики. При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным (см. рис. 1, на котором форма искажена из-за наличия разности потенциалов между зондом и образцом). При этом эффективная высота барьера φ * равна средней работе выхода материалов зонда φ 3 и образца φ 0: φ* = (φ 3 + φ 0)/2. Для оценок и качественных рассуждений часто пользуются следующей упрощенной формулой для плотности туннельного тока j Т, протекающего между двумя проводниками, разделенными вакуумным туннельным барьером (см. формулу 1, в ней j 0 – постоянная, зависящая от разности потенциалов между проводниками, h = 6.6×10 –34 Дж×с – постоянная Планка, m э – масса электрона, φ * – эффективная высота туннельного барьера (в энергетических единицах, например в эВ)).
Конечно, на самом деле на атомных масштабах острие зонда СТМ и тот участок образца, который изучается, выглядит совсем не так, как это показано на рис.1. Куда ближе к реальности картина, показанная на рис.2 и учитывающая атомную структуру вещества.
Вопрос 1. Туннельный ток течет через любой атом зонда, рядом с которым расположен атом образца. Острие зонда СТМ на самом деле состоит не из одного атома, а из нескольких. Тем не менее, СТМ очень часто дает возможность разрешать отдельные атомы. Почему так получается (1 балл)?
Часто для того, чтобы зонд СТМ был «хорошим» и позволял увидеть отдельные атомы он просто должен заканчиваться одним атомом (как это показано на рис.2).
Вопрос 2. На основании формулы (1) докажите, что в случае, если высота туннельного барьера 5 эВ, напряжение на зонде 10 мВ, расстояние от конца зонда до поверхности 5 Å а точность измерения туннельного тока 10 %, СТМ позволит увидеть, что несколько атомов на поверхности находятся глубже, чем остальные на 0.5 Å. Предполагается, что зонд СТМ «хороший» (2 балла).
Поскольку в основе работы СТМ лежит явление туннелирования, то в получаемых данных содержится информация не только о рельефе, но и об электронной структуре поверхности образца, например о работе выхода электронов.
Вопрос 3. Предложите способ измерения локальной эффективной высоты туннельного барьера с помощью СТМ (1 балл).
Вопрос 4. Предложите способ измерения с помощью СТМ локальных работ выхода электрона для зонда и образца в том случае (2 балла).
Условия задачи можно скачать в виде .