Agafonov Kirill
Design og research arbejde
Hent:
Eksempel:
GOU-gennemsnit helhedsskole №301
Moskvas statsteknologiske universitet
“Stankin”
Design og research arbejde
om emnet:
"Tunnelmikroskop som et nanoteknologisk værktøj"
Udført af: 11a klasse elev
Agafonov Kirill Sergeevich
Videnskabelig vejleder: Kandidat for Teknisk Videnskab
Bogomolov Alexey Valentinovich
Fysiklærer: Civilingeniør og teknologi
Pestretsov Vladimir Viktorovich
Moskva, 2006
1.Introduktion………………………………………………………………………………..3
2. Funktionsprincip for et scanningstunnelmikroskop…………………………………………………………………………4
2.2. Hvad er tunneleffekten?...................................4
3. Tekniske muligheder for et tunnelmikroskop...9
3.2. Anvendelsesområder……………………………………….10
4. Nanoteknologi. Udviklingsmuligheder………………12
5.Konklusion……………………………………………….…16
6. Referencer…………………………………………17
1. Introduktion.
Fysik overfladefænomener I øjeblikket er det en af de mest intensivt udviklende grene af videnskaben. Det handler om grundforskning på områdetfast overfladefysikbaseret på succeserne fra moderne mikro ognanoelektronik, studiet af en række elektroniske, atomare og molekylære processer, der forekommer på overfladen af faste stoffer. Rester presserende opgave Og kært ønske forskere i mange år - direkte observation af individuelle atomers adfærd på overfladen solid og studiet af processer, der involverer enkelte eller små grupper af atomer.
Af primær betydning for at forstå egenskaberne af ethvert objekt er viden om dets atomare struktur, derfor definitionenoverfladiskstrukturer- en af de vigtigste sektioner af overfladefysik. I løbet af de sidste 30 år er mikrostrukturen af faste overflader blevet intensivt undersøgt ved hjælp af diffraktions- og spredningsmetoder af elektron- og ionstråler. De fleste af disse metoder blev dog oprindeligt udviklet til at studere den volumetriske struktur af faste stoffer, så de er ikke altid egnede til at indhente information om overfladestrukturen, især på atomniveau. Opfindelse i 1982 af G. Binnig og G. Rohrerscanning tunneling mikroskop, som ikke pålægger begrænsninger på størrelsen af prøver, har virkelig åbnet døren til en ny mikroskopisk verden.
2 . Funktionsprincip for et scanningstunnelmikroskop.
I sin natur har en elektron både bølge og korpuskulære egenskaber. Beregninger viser, at elektronernes bølgefunktioner i et atom ikke er nul og uden for kuglen, svarende til diameteren af atomets effektive tværsnit (atomets størrelse). Derfor, når atomer nærmer sig hinanden, overlapper elektronbølgefunktionerne hinanden, før de interatomiske frastødende kræfter begynder at have en signifikant effekt. Det bliver muligt for elektroner at overføre fra et atom til et andet. Således er udveksling af elektroner også mulig mellem to legemer bragt tæt sammen uden kontakt, det vil sige uden mekanisk kontakt.
- det ene legeme skal have frie elektroner (ledningselektroner), og det andet skal have ufyldte elektroniske niveauer, hvor elektronerne kunne gå;
- mellem organerne er det nødvendigt at anvende en potentiel forskel, og dens størrelse er uforholdsmæssig i forhold til den, der kræves for at opnå elektrisk ladning ved test af luftens dielektriske mellemrum mellem to legemer.
Elektrisk strøm genereret af givne forhold, forklares af tunneleffekten og kaldes tunnelstrøm.
2.2. Hvad er tunneleffekten?
Tunneleffekten er muligheden for en elementær partikel
For eksempel kan en elektron passere (tunnel) igennem potentiel barriere, når barriereenergien er højere end partiklens samlede energi. Muligheden for eksistensen af en tunneleffekt i mikrokosmos blev forstået af fysikere under skabelsen af kvantemekanik, i 20-30'erne af vores århundrede. Efterfølgende, på grund af tunneleffekten, blev nogle meget vigtige fænomener opdaget eksperimentelt i forskellige områder fysik.
Fig.1 a - funktionsprincip for STM:р x, р y, р z - piezoelementer;- tunnelvakuumgab mellem spidssonden og prøven; Det - tunnelstrøm; b - diagram, der illustrerer driften af STM. Tunnelstrøm genereret, når spænding påføres V s , holdes konstant af kredsløbet feedback, som styrer spidsens position ved hjælp af et piezoelektrisk element p z . Optagelse af spændingsbølgeform V z i feedbackkredsløbet under samtidig påvirkning af en savtandsscanningsspænding langs akserne x og y danner et tunnelbillede, som er en slags replika af prøveoverfladen |
Funktionsprincippet for et scanning tunneling mikroskop (STM) er ret simpelt, men fundamentalt forskelligt fra alle tidligere teknikker, der anvendes i overfladefysik. En tynd metalspids monteret på et elektromekanisk drev ( X, Y, Z -positioner), tjener som en sonde til at undersøge områder af prøveoverfladen (ris. 1 EN ). Når en sådan spids bringes til overfladen på afstand, så når en lille (fra 0,01 til 10 V) forspænding påføres mellem spidsen og prøven V s gennem vakuumspaltenbegynder at lækketunnelstrøm Jeg er omkring 10-9 . Det antages, at elektroniske tilstande er lokaliseret på hvert atomare sted, når prøveoverfladen scannes i retningen X og/eller Y Ved samtidig måling af udgangssignalet i kredsløbet kan der opnås et billede af overfladestrukturen på atomniveau.
Der er to muligheder for STM-driftstilstanden: konstanthøjdetilstand og konstantstrømtilstand.
A b |
Fig.2. Varianter af private label arbejde. a) Konstant højdetilstand. B) Konstant strømtilstand. |
Når du arbejder i konstant højde-tilstand, bevæger nålespidsen sig i et vandret plan over overfladen, der undersøges (fig. 2a). I dette tilfælde ændres tunnelstrømmen, og ud fra disse ændringer kan prøvens overfladerelief let bestemmes.
Ved drift i konstant strømtilstand (fig. 2b) anvendes et feedbacksystem, der holder tunnelstrømmen konstant ved at bevæge nålespidsen i lodret retning. I dette tilfælde opnås information om overfladetopografien baseret på data om nålens bevægelse.
Generelt kan STM betragtes som en kombination af tre begreber: scanning, tunneling og lokal sensing. Scanning i sig selv som et middel til at vise et objekt er meget brugt i andre typer mikroskoper, for eksempel i et scanningselektronmikroskop, såvel som i tv-teknologi, og elektrontunneling er med succes blevet brugt til at studere fysiske egenskaber fast tilstand længe før fremkomsten af STM (samt kontaktspektroskopi). Alt dette gør STM til et unikt mikroskop, der ikke indeholder linser, hvilket betyder, at billedet ikke forvrænges på grund af aberrationer, energien fra elektronerne, der danner billedet, overstiger ikke flereelektron-volt(dvs. mindre energi end normalt kemisk binding), som giver mulighed for ikke-destruktiv test af et objekt, mens der i elektronmikroskopi Ved høj opløsning når den adskillige kiloelektronvolt og endda megaelektronvolt, hvilket forårsager dannelsen af strålingsfejl.
På trods af sin enkelhed er designet og produktionen af STM stadig tilbage vanskelig opgave. Selv i dag er der få laboratorier med STM, der opererer ved ægte atomopløsning. Alle STM'er kan opdeles i to hovedgrupper: dem, der opererer i luft (eller i et andet miljø) og under ultrahøjt vakuum. Der er også lavtemperatur-STM'er, der fungerer ved kryogene temperaturer. I fremtiden vil vi kun tale om ultra-højvakuum STM'er, der opererer kl stuetemperatur. Lad os liste de vigtigste problemer, som udviklere står over for:
1) isolation fra akustiske og mekaniske vibrationer;
2) skabelse af højhastigheds- og støjsvag elektronik, der opererer i et bredt dynamisk område;
3) tilvejebringelse af pålidelige ultrahøjvakuumforhold, der tillader forskellige manipulationer med prøven;
4) produktion af tynde atomisk glatte sondespidser og deres diagnostik.
For at løse det oprindeligt tilsyneladende uoverstigelige problem med vibrationsisolering brugte Binnig og Rohrer endda superledende magnetisk ophæng for at rumme prøven og scanningsenheden. Senere blev dette problem løst ved at bruge en speciel ophængning af hele mikroskopet i vakuum på lange fjedre og placere scanningsenheden på et massivt vibrationsisolerende bord. For at bringe sondespidsen til prøven på afstand, svarende til flere ångstrøm, og scanning langs overfladen, blev der brugt en piezomotor baseret på piezoelektrik - disse er materialer, der ændrer deres dimensioner under indflydelse af en styrespænding (ris. 1 EN).
Et diagram, der viser STM-enheden og dens funktion, er vist i Figur 1b. Til det piezoelektriske element p z der tilføres en spænding fra feedbackforstærkerens udgang, som bestemmer størrelsen af mellemrummet mellem prøven og spidsen og dermed størrelsen af tunnelstrømmen. Selve tunnelstrømmen skal til enhver tid være proportional med målstrømmen, som vedligeholdes af en computerstyret feedbacksløjfe. Til piezoelementer p x og p y under styring af den samme computer påføres savtandspændinger, der danner horisontale og lodrette scanninger (raster) svarende til, hvordan dette gøres i fjernsyn. Spændingsbølgeformer V z bliver husket af computeren og derefter konverteret til en afhængighed z(x, y ), der viser spidsens bane og er således et tunnelbillede af prøveoverfladen. Som regel er de optagede signaler genstand for filtrering og yderligere computerbehandling, hvilket gør det muligt at præsentere tunnelbilleder i den såkaldte gråskalatilstand, hvor billedets kontrast korrelerer med overfladetopografien: lyspletter svarer til højere beliggende områder og omvendt. Og i færd med at arbejde selv med den første version af STM i marts 1981 (kun 27 måneder efter den blev formuleret grundlæggende koncept!) den eksponentielle afhængighed af den nuværende karakteristik af tunneling blev eksperimentelt bevist Jeg t fra afstand tip-prøve. 16. marts 1981 betragtes som fødselsdatoen for scanningstunnelmikroskopi.
3. Tekniske muligheder for et tunnelmikroskop.
De vigtigste tekniske egenskaber ved STM er opløsning normal til overfladen af det undersøgte objekt og opløsning i XY-planet. Den faktiske opløsning af STM afhænger af en række faktorer, hvoraf de vigtigste er eksterne vibrationer, akustisk støj og kvaliteten af sondeforberedelse. Figur 3 viser strukturen af en frisk spaltning langs det krystallografiske plan af højt orienteret pyrolytisk grafit.
Billeder af strukturerne i fig. 3, a, b, c blev opnået under betingelser med lave, mellemstore og høje interferensniveauer.
Ris. 3. Billede af overfladestrukturen af en frisk spaltning langs det krystallografiske plan (0001) af højt orienteret pyrolytisk grafit ved forskellige niveauer af interferens a, b, c.
Billedet af strukturen i fig. 3c blev opnået på konventionel vis laboratorieforhold, altså hvornår høje niveauer interferens
Ud over opløsningen af et mikroskop er dets nyttige forstørrelse en vigtig egenskab. For STM vil den nyttige forstørrelse være omkring 7 millioner gange (til sammenligning: for et optisk mikroskop - 1000 gange).
En anden vigtig egenskab ved STM er den maksimale størrelse af scanningsfeltet i flyet XY og maksimal sondebevægelse vinkelret på overfladen. De første STM-designs havde et meget lille scanningsfelt (ikke mere end 1 1 µm).
STM's tekniske muligheder kan udvides betydeligt. Til dette formål udføres energianalyse af tunnelelektroner, dvs. den spektrale afhængighed af tunnelstrømmen opnås.
3.2. Anvendelsesområder.
1. Fysik og kemi af overflader på atomniveau.
Ved hjælp af tunnelmikroskopi var det muligt at rekonstruere atomare struktur overflader af mange materialer. STM giver dig mulighed for at opnå et spektrum af elektroniske tilstande med atomopløsning og bestemme den kemiske sammensætning af overfladelaget, potentialefordelingen, når strømmen løber gennem prøven osv.
2. Nanometri – undersøgelse af prøveoverfladeruhed med nanometeropløsning.
3. Nanoteknologi – forskning, produktion og kontrol af enhedsstrukturer i mikroelektronik.
Især baseret på STM er registrering og gengivelse af information mulig. Ved optagelse anvendes effekten af sondens lokale påvirkning på overfladen af lagermediet. Denne effekt kan være mekanisk, hvilket skaber en kunstig relief på overfladen i form af pits - memory bits. Kunstigt terræn kan også skabes ved termisk desorption. I dette tilfælde fungerer sonden som en bærer af materiale til at skabe informationsbidder. Sonden kan også bruges som punktkilde elektroner til elektronlitografi, kemiske eller strukturelle lokale omlejringer af overfladen.
Ved registrering af information ved hjælp af elektronlitografi (nanolithografi) føres en sonde gennem spidsen i kort tid stor styrke tunnelstrøm Det ved øget potentialforskel U , elektroner eller ioner udsendes fra spidsen til overfladen af objektet eller omvendt, og der dannes gruber eller fordybninger på overfladen, som bærer en smule information. Optagelsestætheden når op til 10 12 bit/cm 2 . Til sammenligning: optagetætheden på en moderne lagerenhed, der bruger den magnetiske effekt (magnetiske diske) er 10 7 bit/cm 2 , kl lasereksponering(compact discs - CD) – op til 10 9 bit/cm2.
4. Undersøgelse af biologiske objekter– makromolekyler (herunder DNA-molekyler), vira og andre biologiske strukturer.
Det skal bemærkes, at mest af(ca. 80%) af alle publicerede værker tilhører den første gruppe af anvendelsesområder for STM. I På det sidste Antallet af publikationer, der tilhører den fjerde gruppe, er stigende.
5. STM har brede perspektiver inden for materialevidenskab - i studiet af mikro-, sub- og krystal strukturer diverse materialer. Som i andre tilfælde (optisk og elektronmikroskopi) kan mikrosektioner tjene som objekter til at studere strukturen af materialer ved hjælp af STM. Mikrosektionsreliefet opnået under ætsningen vil afspejle materialets struktur. At studere relieffet ved hjælp af STM med høj opløsning vil først og fremmest afsløre træk ved den understrukturelle struktur. Det ser ud til, at metoden til scanning tunneling mikroskopi vil åbne op for store muligheder for at studere defekter krystal struktur(ledige stillinger, dislokationer osv.), forskellige adskillelser af atomer, herunder under fasetransformationer, især ved deres tidlige stadier. Bestemmelse sammen med at studere materialets struktur, kemisk sammensætning lokale zoner af overfladelaget af et objekt (STM-spektroskopi), vil gøre det muligt at konkurrere med scanningselektronmikroskopi og mikrorøntgenstrukturanalyse, der overgår sidstnævnte med hensyn til opløsning.
Der er stadig meget få værker inden for materialevidenskab, især af grundlæggende karakter, der anvender STM. I øjeblikket arbejdes der med STM-undersøgelser af nogle metaller og legeringer, metalfilm med en tykkelse på 0,5 nm, diffraktionsgitre (fremstillet af mikroelektronik og holografi), halvledere, ferrithoveder, udmattelsesrevner i metalmaterialer, mikroporøse kulfiltre, diamant- film, enkeltkrystaller af metal, varmeisolerende materialer baseret på sintrede kvartsfibre, pulvermaterialer, diamant og andre natursten, fullerener og lignende formationer, film flydende krystaller osv. Disse undersøgelser er hovedsageligt relateret til at identificere strukturen af forskellige materialer.
4 . Nanoteknologi. Udviklingsmuligheder.
Fysikere forskningscenter computerkoncern IBM Almaden i Californien besluttede at bruge den til at udvikle nye computersystemer på nanometer- og atomniveau dominoprincippet. Domino-stens rolle spilles af molekyler, der, når de "falder", danner kæder, der tillader produktion af matematiske operationer.
Til deres forskning bruger videnskabsmænd et scanning tunneling mikroskop - en opfindelse tysk fysiker Gerd Binning, som modtog Nobelprisen for det i 1986. Den magnetiserede mikroskopnål nærmer sig næsten tæt på bærerens overflade, mellem dem - på grund af den såkaldte tunneleffekt - en elektricitet. Dens værdi fastholdes på samme niveau. Når den bevæger sig langs bæreren, bevæger nålen sig enten væk fra overfladen eller nærmer sig den, som om den "sonderer" en slags atomisk "relief".
I det store og hele minder et tunnelmikroskop på mange måder om den pladespiller, der er kendt fra barndommen, kun i det løber nålen ikke langs vinylsporets ujævnheder, men langs atomerne i mediets overflade. Studiet af relieffet foregår uden direkte kontakt med overfladen, men på trods af dette er forskerne allerede i stand til at flytte atomer fra sted til sted, og ud fra dem bygge noget som en Lego-konstruktør til børn. Afspillerens nål bærer små støvpartikler langs pladens overflade, som om den skubber dem foran sig selv. Et tunnelmikroskop kan det samme, kun med mikropartikler.
I lang tid lykkedes det IBM-fysikere at lægge firmalogoet (fig. 4) for deres bekymring ud fra individuelle atomer.
Ris. 4. IBM-varenavn.
Dette kan dog siges at være ingenting sammenlignet med de resultater, som laboratoriedirektør Andreas Heinrich for nylig har opnået:
"Vi har vist, at vi ikke kun er i stand til at tegne atomgraffiti på en overflade, men også at bygge aktive logiske strukturer fra individuelle atomer, hvilket vil gøre det muligt i fremtiden at bruge lignende teknologier til at skabe subminiature computere."
Heinrich og hans kolleger arbejder ikke med atomer, men med lidt større molekyler. carbonmonoxid. Ifølge et specifikt mønster placerede forskerne 550 molekyler på en kobberbelagt overflade. For klarhedens skyld giver Andreas Heinrich en analogi med dominobrikker, der falder i en bestemt rækkefølge eller bliver stående på bordets overflade. Dominobrikkerne har kun to muligheder – de enten ligger ned eller står op. Det er det samme med kuliltemolekyler: de forbliver enten på deres plads eller flytter en position længere.
Ifølge Andreas Heinrich er afstanden mellem de to positioner en kvart nanometer. Molekylet "hopper" til næste stilling og skubber nabomolekylet ud af plads. Således opstår kædereaktion.
Og vigtigst af alt: Heinrich arrangerede molekylerne, så de kunne interagere med hinanden og mødes på udpegede punkter. Disse "mødesteder" er elementer i logiske kæder. De klarer simple beregningsoperationer såsom logisk multiplikation:
"Logisk multiplikation giver to indgangsimpulser og en udgang. En udgangsimpuls kan kun forekomme, når begge inputimpulser påføres. Det betyder, at hvis kun én af dem ankommer, vil der ikke være nogen udgangsimpuls."
I Total fysikere har stillet seks forskellige op logiske operationer. De er forbundet på en bestemt måde og repræsenterer en slags computer. Denne fordybende præstation finder sted på en overflade, der måler 12 gange 17 nanometer. Til sammenligning: i dagens computerchips optager en transistor et areal på 2.000x2.000 nanometer. Så computing på nanometerniveau er blevet en realitet.
Det er dog for tidligt at falde i eufori. Denne lovende teknologi har en stor ulempe: ligesom en række dominobrikker, der kun kan væltes én gang, er forskere tvunget til konstant at bygge vores strukturer molekyle for molekyle. Det vil sige, at for at lave en ny beregning er det nødvendigt ved hjælp af et tunnelmikroskop igen at bringe hvert molekyle til sin oprindelige tilstand. Og denne proces kan vare i timevis. Så for nu er nano-dominoer ikke i stand til at konkurrere med Pentium:
”Man skal huske på, at vi ikke her taler om præsentationen af en færdig computerteknologi. Det vigtige er, at eksperimentet viste muligheden for at skabe computersystemer på atomniveau."
Videnskabsmanden delte sine planer for fremtiden. I stedet for at bevæge molekyler mekanisk, vil fysikere bruge elektromagnetiske felter til at ændre rotationsretningen for atomkernerne - "nukleare spins". Det bliver allerede gjort af forskere ved MIT Media Lab i Boston, som arbejder på at skabe såkaldte "kvantecomputere", der også arbejder med specielle molekyler.
5. Konklusion.
Vi gennemgik kort historien om STM og erhvervelsen af strukturelle og elektroniske overfladebilleder ved atomopløsning. Siden opfindelsen er STM blevet brugt i vid udstrækning af videnskabsmænd inden for en række specialer, der dækker næsten alle naturvidenskabelige discipliner, lige fra grundforskning inden for fysik, kemi, biologi og op til specifikke teknologiske anvendelser. Driftsprincippet for STM er så enkelt, og de potentielle muligheder er så store, at det er umuligt at forudsige dets indvirkning på videnskab og teknologi selv i den nærmeste fremtid.
6. Bibliografi.
1. Fra submikron til nanoteknologi. / Yu.S.Borisov, V.V.Rakitin, N.S.Samsonov/
2. Fysiske grundlæggende halvleder nanoteknologi. /Belyavsky V.I./
3. Nanoteknologi ved hjælp af STM. /Nevolin V.K., Khlebnikov Yu.V., Shermegor T.D. /
4. Nanologiske processer og installationer. /Luskinovich P.N./
5. Nanoindustri og mikrosystemer. /Aleksenko A.G/
6. STM – måleinstrument nanoteknologi./A.Bychikhin, M.O.Gallyamov, V.V.Potemkon, A.V.Stepanov, I.V.Yaminsky/
Side fra
Scanning tunneling microscope (STM) blev skabt i 1982 af G. Binnig og H. Rohrer, medlemmer af IBMs forskningsafdeling. Det opdagede meget lovende videnskabelige og anvendte evner forskningsarbejde inden for nanoteknologi og var den første tekniske enhed, hvormed man opnåede behagelig visualisering af atomer og molekyler. For skabelsen af STM blev G. Binnig og H. Röhrer præmieret i 1986 Nobel pris i fysik.
Driftsmekanismen for STM er som følger: til overfladen af en ledende standard i en karakteristisk interatomisk afstand af fraktioner nanometer, meget tyndt jern medfølger spids (nål). Når der påføres en potentialforskel på ~0,11V mellem prototypen og nålen, opstår der en strøm i kredsløbet (fig. 4.13) på grund af tunnelering af elektroner gennem mellemrummet mellem dem.
Tunnelstrømmen er ~110nA, dvs. har en mængde, der fuldt ud kan måles eksperimentelt.
Da muligheden for at tunnelere gennem en mulig barriere afhænger eksponentielt af bredden af barrieren, falder tunnelstrømmen med stigende afstand mellem nålen og standardfladen Z eksponentielt og miniaturiseres med omtrent en størrelsesorden, når Z stiger med hver 0,1 nm. Tunnelstrømmens eksponentielle afhængighed af afstand giver meget høj opløsning af STM.
Langs Z-aksen, vinkelret på standardoverfladen, er STM-opløsningen ~ nm, og langs akser X,Y, parallel standard overflade,~ nm. Ved at flytte STM-spidsen langs overfladen af standarden, dvs. Ved at scanne en overflade er det muligt at få information om overfladetopografien med atomær rumlig opløsning.
Der er to muligheder for STM-driftstilstanden: konstanthøjdetilstand og konstantstrømtilstand. Ved drift i konstant højde-tilstand, spidsen nålen bevæger sig i et vandret plan ovenfor overfladen under undersøgelse (fig. 4.3a). I alt dette ændres tunnelstrømmen, og ud fra disse ændringer kan relieffet af standardfladen ganske enkelt bestemmes.
Ved drift i konstant strømtilstand (fig. 4.3b) anvendes et feedbacksystem, som holder tunnelstrømmen konstant i s bevægelse af nålepunktet i lodret retning retning. I I dette tilfælde information om overfladetopografien opnås baseret på data om nålens bevægelse.
Det generelle skema for STM er vist i fig. 4.4.
Ved hjælp af en grov tilgang og positioneringssystem bringes STM-nålen til overfladen under undersøgelse i en afstand på ~ 0,1 μm. Kommende flytning af nålen og undersøgelse af overfladen udføres vha speciel scanningsenhed. Denne enhed er lavet af piezoelektrisk materiale, dvs. et stof, der er i stand til at ændre sine lineære dimensioner, når et elektronisk felt påføres det, og giver dig mulighed for at flytte STM-spidsen over overfladen af standarden med meget høj nøjagtighed.
En af de vigtigere komponenter i STM er nålen (spidsen), som bruger en smal wolframtråd, vanadium eller andet ledende materiale. For at forbedre funktionerne i spidsen af spidsen er det kemisk ætset. Eksperimenter viser, at ætsning af en spids med en spidsradius på μm faktisk giver opløsning på atomniveau.
Bevægelsen af scanningsenheden og betjeningen af feedbacksystemet styres af computeren. Det bruges til at registrere måleresultaterne, deres bearbejdning og visualisering af undersøgelsen overflader. Typiske forskningsresultater udført ved brug af STM er vist i fig. 4.16, som viser billeder af molekyler adsorberet på overfladen af en kobberkrystal. Aksiale dimensioner er angivet i ångstrøm (m).
Det er vigtigt at bemærke, at STM, i modsætning til andre elektriske mikroskoper, ikke indeholder linser, og som følger er billedet opnået i det ikke forvrænget på grund af aberrationer. Derudover energien af elektronerne, der dannes STM-billedet overstiger ikke flere elektronvolt, dvs. viser sig at være mindre end den tilsvarende kemiske bindingsenergi, hvilket giver mulighed for ikke-destruktiv testning af teststandarden. Husk det i elektrisk mikroskopi højeste opløsning elektronenergi når hundredvis af kiloelektronvolt, hvilket fører til dannelsen af strålingsfejl.
I nuværende tid lovende efterfølgende områder af private label implementering:
- fysik og kemi af overflader på atomniveau;
- nanometri - undersøgelse med nanometeropløsning af overfladeruhed, nukleationsprocesser under filmvækst, processer med kemisk eller ionætsning, aflejring osv.;
- nanoteknologi - forskning og produktion af enhedsstrukturer i nanometerstørrelse;
- undersøgelse af makromolekyler, vira og andre biostrukturer.
Figur 4.6 viser et billede af et "kvantekoralrev" med en diameter på 14,3 nm, dannet af Fe-atomer på en Cu-krystal.
Ris. 4.6 Todimensionel kvantebrønd (elektriske potentiale overflader).
Det skal understreges, at STM's muligheder rækker langt ud over rene mikroskopiske opgaver. Med hans hjælp til for eksempel kan du tvinge atomer til at bevæge sig overflader og opsamles fra dem kunstige strukturer nanometer størrelser.
Ris. 4.7 Mikromekanisk samling i STM (CO-molekyler på platin).
Ris. 4.8 Mikromekanisk samling i STM (xenonatomer på nikkel).
Sådanne kapaciteter af STM gør det til et lovende værktøj til design og udvikling af den næste generation af nanoteknologi, f.eks. kvantecomputer . Scanningstunnelmikroskopet var en prototype for en hel familie af mere avancerede scanningsmikroskoper.
På baggrund af STM blev der lavet et scanning atomic force microscope (AFM), som gør det muligt at studere ikke-ledende stoffer, et mikroskop på magnetiske kræfter, hvilket gør det muligt at undervise magnetisk overfladeegenskaber.
Alt, der er sagt ovenfor om STM, giver os mulighed for at drage følgende konklusion: "STM's funktionsprincip er så simpelt, og de potentielle evner er så betydelige, at det er urealistisk at forudsige dets indvirkning på videnskab og teknologi selv i den nærmeste fremtid."
Funktionsprincippet for STM er baseret på det ovenfor beskrevne tunnel effekt, så man kan observere og endda kontrollere positionen af individuelle atomer, dvs. arbejde med en nøjagtighed på op til flere ångstrøm, hvilket i øjeblikket er maksimum for alle eksisterende videnskabelige og tekniske metoder.
Design af scanningstunnelmikroskoper (fig. 5.6.1).
Ris. 5.6.1 Diagram over designet og driften af et scanningstunnelmikroskop:! - x+y-scanning: 2 - STM-billede efter computerbehandling; 3 - prøve: 4 - justering af feedbackkredsløb
STM'ens arbejdslegeme - sonden - er en ledende metalnål. Sonden bringes til overfladen under undersøgelse på et meget tætte kvarterer(~ 0,5 nm) og, når det påføres proben DC spænding, opstår der en tunnelstrøm mellem dem, som eksponentielt afhænger af afstanden mellem sonden og prøven. Det betyder, at med en stigning i afstanden på kun 0,1 nm, falder tunnelstrømmen næsten 10 gange. Det er netop det, der sikrer mikroskopets høje opløsning, da mindre ændringer i højden af overfladerelieffet forårsager en væsentlig ændring i tunnelstrømmen.
Ved at holde strømmen og afstanden konstant ved hjælp af et sporingssystem scanner sonden overfladen og bevæger sig hen over den langs akserne x og Y, derefter sænkning og stigning afhængigt af dens relief.
Information om denne bevægelse spores af en computer og visualiseres i software, så forskeren kan se objektet på skærmen med den nødvendige opløsning.
Der er to STM-designmuligheder afhængigt af prøvescanningstilstanden.
I konstanthøjdetilstanden bevæger nålespidsen sig i et vandret plan over prøven, og tunnelstrømmen ændres (fig.
5.6.2-a). Baseret på data om størrelsen af tunnelstrømmen målt ved hvert punkt på overfladen, konstrueres et billede af dets relief.
I STM-tilstanden med konstant strøm bruges et feedbacksystem til at opretholde en konstant tunnelstrøm ved at justere scanningsanordningens højde over overfladen ved hvert punkt (fig.
Ris. 5.6.2-a; b STM driftstilstande.
Hver tilstand har fordele og ulemper. Konstant højdetilstand er hurtigere, fordi systemet ikke behøver at flytte scanningsenheden op og ned, men det tillader stadig brugbar information kun fra relativt glatte prøver. I DC-tilstand kan du høj nøjagtighed studere komplekse overflader, men det tager også mere tid.
En vigtig del af et scanningstunnelmikroskop er en mekanisk manipulator, som skal sikre, at sonden bevæger sig hen over overfladen med en nøjagtighed på tusindedele af en nanometer. Typisk er en mekanisk manipulator lavet af piezoelektrisk materiale.
En fantastisk egenskab ved et sådant materiale er piezoelektricitet. Dens essens er som følger: Hvis du skærer en rektangulær stråle fra piezomateriale, skal du anvende den på modsatte sider metalelektroder og anvender en potentialforskel på dem, så vil strålens geometriske dimensioner under påvirkning af strøm ændre sig. Og omvendt: med den mindste deformation (kompression) af strålen vil der opstå en potentiel forskel i dens modsatte ender. Ved at styre små ændringer i strøm er det således muligt at flytte sonden over meget små afstande, der er nødvendige for driften af et scanningsmikroskop.
I praktiske designs anvendes normalt piezokeramiske manipulatorer (fig. 5.6.3), lavet i form af et tyndvægget rør med flere separate elektroder. Styrespændingen forårsager forlængelse eller bøjning af sådanne manipulatorer og følgelig bevægelse af sonden langs alle tre rumlige koordinater X, Y og Z.
Ris. 5.6.3
Designet af moderne manipulatorer giver en række sondebevægelser på op til 100-200 µm i planet og op til 5-12 µm i højden.
Tunnelmikroskopet gjorde det muligt for forskere at undersøge overflader på atomniveau. Denne enhed har dog også en række begrænsninger. Baseret på tunneleffekten kan den kun bruges til at studere materialer, der leder elektricitet godt.
Billeder opnået ved hjælp af STM er vist i fig. 5.6.4
Ris. 5.6.4 Billeder opnået med STM: a - grafitoverflade, b - undersøgelser af bindinger i atomet af en kulstofholdig forbindelse:
I - diameter: 2 - vinkelgrav: 3 - adatom: 4 - Rast-yatom .
Ved hjælp af et scanningstunnelmikroskop kan du se individuelle atomer af et stof uden det sædvanlige vakuum i sådanne undersøgelser og ved stuetemperatur.
Scanning-tunnelmikroskopet (STM), der blev skabt for 30 år siden på IBM-laboratoriet i Zürich, har siden holdt hånden med hensyn til opløsning blandt andre mikroskopiske metoder - fordi det kan "undersøge" individuelle atomer op til brint. Og det er ikke let at se på det - ved hjælp af STM kan du måle den elektroniske struktur af en overflade og endda "flytte" et molekyle eller endda et individuelt atom.
Scanning tunnel mikroskop design.
Modifikation af sonden ved hjælp af fulleren.
Scanning af overfladen af epitaksial grafen ved hjælp af en modificeret sonde.
Scanning af overfladen af molybdændisulfid ved hjælp af en modificeret sonde.
Driftsprincippet for STM er baseret på effekten kvantetunnelering. I usædvanlig verden kvantemekanik svarer til en elektron bølgefunktion. Den beskriver sandsynlighedsfordelingen, som en elektron befinder sig i bestemt sted med en vis energi – inden for grænserne af Heisenberg-usikkerhedsprincippet. Det vil sige, at det er umuligt at bestemme positionen eller momentet af en partikel med absolut nøjagtighed. Således, hvis en elektron er placeret ved siden af en potentiel barriere (i tilfælde af et tunnelmikroskop spilles rollen som en sådan barriere af mellemrummet mellem spidsen af sonden og overfladen), så er der en begrænset sandsynlighed for, at elektronen kan ende på den anden side af denne barriere - på overfladen af prøven. Det vil sige, i modsætning til vores "makro-intuition", hvis du kaster en elektronkugle mod en barrierevæg, vil den ikke prelle af, men vil tunnelere gennem væggen og fortsætte med at bevæge sig på den anden side.
Tunneleffekten af et scanningstunnelmikroskop gør det muligt at studere både topologien og strukturen af overfladen af mikroskopprøven, såvel som dens kemiske sammensætning (se fig. 1). Enheden "scanner" overfladen ved hjælp af en strømførende nålesonde, så tynd, at kun få atomer passer i spidsen. I en afstand mellem sonden og overfladen i størrelsesordenen 0,4-0,7 nm, tunneler elektronerne til prøvens overflade. Strømmen af sådanne elektroner afhænger af spændingen på sonden, den lokale tæthed af tilstande for et bestemt overfladeatom samt af afstanden mellem sonden og overfladen (i sidstnævnte tilfælde eksponentiel afhængighed opstår).
STM har to scanningstilstande. I en af dem understøtter feedbacksystemet indstillet værdi tunnelstrøm, og overfladetopografien gengives baseret på sekvensen af sondebevægelse. I den anden tilstand holder sonden en specificeret afstand fra overfladen, og mikroskopet overvåger ændringer i tunnelstrømmen. I begge tilfælde overvåges sondens position ved hjælp af piezo-elementer. Piezoelektrik er materialer, der ændrer deres størrelse afhængigt af strømmen, der passerer gennem dem (og omvendt - når størrelsen ændres, ændres strømmen i dem). Fordi de har ultra-præcis respons, er de et almindeligt værktøj til at flytte objekter meget præcist.
Typisk foregår scanningen i flere trin. For det første, for at få en idé om overfladetopologien i et givet område, tages en generel scanning med et areal på omkring 1-1,5 mikron. Derefter undersøges et område på omkring 100 nm i størrelse, udvalgt på baggrund af den tidligere scanning og så videre, indtil vi når direkte målinger af, hvad vi har brug for. Dette kunne være at måle afstandene mellem atomer, studere overfladestrukturen eller et tæthedskort atomare tilstande; Et mikroskop kan også bruges til at manipulere et specifikt atom eller molekyle. Opløsningen af STM i sådanne målinger er omkring Ångstrøm (0,1 nm) i planet og 0,01 nm i dybden.
For nylig har det vist sig, at tilføjelse af visse molekyler til spidsen af en STM-sonde forbedrer mikroskopopløsning og kemisk kontrast. Sådanne målinger foregår typisk i ultradybt vakuum, ved ekstremt lave (kryogene) temperaturer (4-100 grader over det absolutte nulpunkt) og kræver en perfekt ren overflade. Sådanne eksperimenter er meget arbejdskrævende - for eksempel skal prøver dyrkes direkte inde i mikroskopet - og hver måling tager meget tid.
Hvis STM kunne tilpasses til stuetemperatur, ville det i høj grad hjælpe mange fysikere, inklusive dem, der arbejder med todimensionelle krystaller såsom grafen og den lovende familie af overgangsmetal-dichalcogenider. De bliver aktivt undersøgt over hele verden, da sådanne todimensionelle krystaller i fremtiden vil gøre det muligt at skabe nanoelektronik med atomtykkelse med en klart defineret elektronisk struktur. Med hensyn til elektronisk og optisk elektroniske egenskaber Af interesse er ikke kun individuelle todimensionelle krystaller, men også de såkaldte van der Waals heterostrukturer: en "lagkage" af grafen, bornitrid og de ovennævnte dicalcogenider.
Peter Nirmalraj ( Peter Nirmalraj) fra IBM-laboratoriet og hans kolleger fra Schweiz, Irland og USA udviklede en metode, der gør det muligt at observere overflader i atomopløsning ved stuetemperatur. Forskerne modificerede STM-sonden ved at fastgøre fulleren C60 til den (som er et sfærisk molekyle på 60 kulstofatomer med en diameter på ca. 1 nm, der ligner en fodbold). Ved at nedsænke sonden i silikoneolie (en viskøs, ikke-polær, kemisk inert væske), stabiliserer vi fullerenen, og den bliver længere på spidsen af sonden. Samtidig beskytter olien perfekt overfladen af prøven mod udsættelse for atmosfæren uden behov for at evakuere målekammeret til et ultrahøjt vakuum.
Hvordan kan et molekyle på 60 atomer placeres på spidsen af en sonde med en diameter af sammenlignelig størrelse? For at gøre dette påføres en opløsning indeholdende fullerener af en given størrelse på et tidligere forberedt substrat. Det tørrede substrat scannes ved hjælp af en sonde (se fig. 2, tunnelstrømmen under måling og spændingen over sonden er angivet over scanningen). Spidsen af nålen nærmer sig den valgte fulleren og "går rundt om" den, som vist på illustrationen. Med den korrekte kombination af sondespænding og tunnelstrøm klæber fullerenen til sonden. Der tages derefter en testscanning af det samme område for at sikre korrekt drift modificeret sonde, og du kan ændre substratet med fullerener til en kuvette med prøver nedsænket i olie.
Hybridproben blev testet på prøver af grafen og molybdændisulfid MoS 2, en populær repræsentant for overgangsmetal-dichalcogenider. Målinger har vist, at det med denne mikroskopkonfiguration er muligt at studere overfladestrukturen i detaljer og præcist bestemme længden af interatomiske bindinger - ikke værre end ved lave temperaturer i et vakuum.
En prøve af grafen til eksperimentet blev dyrket på overfladen af en siliciumcarbid (SiC) krystal under anvendelse af epitaksi (det vil sige den sekventielle vækst af en krystal på overfladen af en anden). I fig. 3 er grænsen mellem tolags- og enkeltlagsgrafen tydeligt synlig, og kulstofatomerne i honeycomb-gitteret er tydeligt synlige. De typiske "krusninger" på overfladen af enkeltlagsgrafen er også tydeligt synlige - de stabiliserer den todimensionelle struktur og har normalt ikke en væsentlig effekt på de elektroniske egenskaber.
Figur 4 viser målinger af MoS 2 (dets kemiske struktur er afbildet i form af kugler forbundet med "pinde" af en kemisk binding). Den foreløbige scanning viser tydeligt lagdelingen af krystallen, og tykkelsen af hvert lag kan måles nøjagtigt. Et periodisk "Moiré-netværk" er også synligt, som opstår på grund af misforholdet mellem gitterkonstanten for MoS 2 og guldsubstratet, som det blev dyrket på. Til sammenligning er Moiré-gitterkonstanten omkring 32 Ångstrøm (3,2 nm), mens MoS 2-gitterkonstanten er 3,2 Ångstrøm. De fulde resultater af arbejdet blev offentliggjort i Naturkommunikation .
Det vigtigste her er, at STM-sonden med fulleren var i stand til korrekt at måle de interatomiske afstande og tykkelsen af lagene af grafen og molybdændisulfid. Det betyder, at målinger ved stuetemperatur og med sonden nedsænket i silikoneolie er lige så gode som resultater opnået i vakuum og ved lave temperaturer. Ud over de elektroniske egenskaber af materialerne selv og deres nanoenheder, vigtig faktor er stabilitet i luft, da sådanne strukturer let kan oxidere. At vælge de mest lovende materialer og deres kombinationer til potentielle anvendelser, sammen med elektroniske og strukturelle egenskaber, er det vigtigt at evaluere atmosfærens og opløsningsmidlers påvirkning af krystal og elektronisk struktur, og Peter Nirmalrajs metode gør det muligt at foretage sådanne målinger relativt nemt og hurtigt.
Scanning probe mikroskopi er en af de mest kraftfulde metoder at studere objekter inden for nanoteknologi. Den første af probe mikroskoper Der var et scanning tunneling mikroskop (STM). STM producerer bemærkelsesværdige billeder af individuelle atomer.
STM-drift er baseret på fænomenet elektrontunneling gennem en smal potentialbarriere i et vakuum mellem en metalsonde og en ledende prøve i et eksternt elektrisk felt. Dette er vist skematisk i fig. 1. Tunneleffekten har kvante natur og er som følger. Der er en sandsynlighed ikke nul for, at en partikel (f.eks. en elektron) vil overvinde en potentiel barriere, selvom den total energi(forbliver uændret) er mindre end bommens højde. I STM bringes en sonde til prøveoverfladen i afstande på flere ångstrøm, og der dannes en tunneltransparent potentialbarriere, hvis værdi hovedsageligt bestemmes af værdierne af elektronarbejdsfunktionen fra sonden og prøvematerialet. Når en potentialforskel påføres mellem spidsen og prøven, begynder en elektrisk strøm at flyde mellem dem, forårsaget af elektrontunneling.
På trods af det faktum, at tunneleffekten kun observeres for kvanteobjekter, er det ofte muligt at undvære kvantemekanik for at analysere driften af STM. Når den betragtes kvalitativt, kan barrieren betragtes som rektangulær (se fig. 1, hvor formen er forvrænget på grund af tilstedeværelsen af en potentialforskel mellem sonden og prøven). I dette tilfælde er den effektive barrierehøjde φ * lig med den gennemsnitlige arbejdsfunktion af materialerne i sonden φ 3 og prøven φ 0: φ* = (φ 3 + φ 0)/2. Til estimater og kvalitative ræsonnementer bruges den følgende forenklede formel ofte for tunnelstrømtætheden j T, der flyder mellem to ledere adskilt af en vakuumtunnelbarriere (se formel 1, hvor j 0 er en konstant afhængig af potentialforskellen mellem lederne , h = 6,6× 10 –34 J×s – Plancks konstant, m e – elektronmasse, φ * – effektiv højde af tunnelbarrieren (in energienheder, for eksempel i eV)).
I virkeligheden ser spidsen af STM-sonden og området af prøven, der undersøges, i virkeligheden helt anderledes ud end det, der er vist i fig. 1. Billedet vist i fig. 2, som tager højde for stoffets atomare struktur, er meget tættere på virkeligheden.
Spørgsmål 1. En tunnelstrøm løber gennem ethvert sondeatom, der har et prøveatom ved siden af sig. Spidsen af STM-sonden består faktisk ikke af et atom, men af flere. STM gør det dog meget ofte muligt at opløse individuelle atomer. Hvorfor sker dette (1 point)?
Ofte, for at en STM-sonde skal være "god" og tillade individuelle atomer at blive set, skal den simpelthen ende med et enkelt atom (som vist i fig. 2).
Spørgsmål 2. Bevis ud fra formel (1), at hvis højden af tunnelbarrieren er 5 eV, er spændingen på sonden 10 mV, afstanden fra enden af sonden til overfladen er 5 Å og nøjagtigheden af ved at måle tunnelstrømmen er 10 %, vil STM tillade dig at se, at flere atomer på overfladen er 0,5 Å dybere end de andre. STM-sonden antages at være "god" (2 point).
Da STM-operationen er baseret på fænomenet tunneling, indeholder de resulterende data information ikke kun om relieffet, men også om elektronisk struktur overflade af prøven, for eksempel om elektroners arbejdsfunktion.
Spørgsmål 3. Foreslå en måde at måle den lokale effektive højde af en tunnelbarriere ved hjælp af STM (1 point).
Spørgsmål 4. Foreslå en metode til måling af lokale elektronarbejdsfunktioner for sonden og prøven ved hjælp af STM i så fald (2 point).
Betingelserne for problemet kan downloades som .