Агафонов Кирил
Дизајн и истражувачка работа
Преземи:
Преглед:
GOU Просек сеопфатно училиште №301
Московскиот државен технолошки универзитет
„Станкин“
Дизајн и истражувачка работа
на тема:
„Тунелскиот микроскоп како нанотехнолошка алатка“
Заврши: ученик од 11а одделение
Агафонов Кирил Сергеевич
Научен раководител: Кандидат за технички науки
Богомолов Алексеј Валентинович
Наставник по физика: Магистер по инженерство и технологија
Пештрецов Владимир Викторович
Москва, 2006 година
1. Вовед……………………………………………………………………..3
2. Принцип на работа на микроскоп за скенирање тунели……………………………………………………………………4
2.2. Каков е ефектот на тунелот?................................4
3. Технички можности на тунелен микроскоп...9
3.2. Области на примена…………………………………….10
4. Нанотехнологија. Развојни изгледи…………………12
5.Заклучок…………………………………………….…16
6. Користена литература………………………………………17
1. Вовед.
Физика површински појавиВо моментов, таа е една од најинтензивно развиените гранки на науката. Се работи за фундаментално истражување на теренотфизика на цврсти површиниврз основа на успесите на современите микро инаноелектроника, проучување на различни електронски, атомски и молекуларни процеси кои се случуваат на површината на цврстите материи. Останува итна задачаИ негувана желбанаучниците многу години - директно набљудување на однесувањето на поединечните атоми на површината солиднаи проучување на процеси кои вклучуваат единечни или мали групи на атоми.
Примарно значење за разбирање на својствата на секој објект е знаењето за неговата атомска структура, па затоа и дефиницијатаповршниструктури- еден од најважните делови од површинската физика. Во текот на изминатите 30 години, микроструктурата на цврстите површини интензивно се проучуваше со методи на дифракција и расејување на електронски и јонски снопови. Сепак, повеќето од овие методи првично беа развиени за проучување на волуметриската структура на цврстите материи, така што тие не се секогаш погодни за добивање информации за структурата на површината, особено на атомско ниво. Пронајдок во 1982 г. од Г. Биниг и Г. Рорерскенирање тунели микроскоп, кој не наметнува ограничувања за големината на примероците, навистина ја отвори вратата за нов микроскопски свет.
2 . Принцип на работа на микроскоп за скенирање тунели.
По својата природа, електронот има и бран и корпускуларни својства. Пресметките покажуваат дека брановите функции на електроните во атомот се ненула и надвор од сферата, што одговара на дијаметарот на ефективниот пресек на атомот (големината на атомот). Затоа, кога атомите се приближуваат еден кон друг, функциите на електронските бранови се преклопуваат пред меѓуатомските одбивни сили да почнат да имаат значителен ефект. Станува возможно електроните да се префрлат од еден атом во друг. Така, размената на електрони е можна и меѓу две тела приближени без контакт, односно без механички контакт.
- едното тело мора да има слободни електрони (електрони на спроводливост), а другото мора да има непополнети електронски нивоа, каде би можеле да одат електроните;
- помеѓу телата е неопходно да се примени потенцијална разлика, а нејзината големина е непропорционална во споредба со онаа што е потребна за да се добие Електрично полнењепри тестирање на воздушниот диелектричен јаз помеѓу две тела.
Електрична струја генерирана од дадени услови, се објаснува со ефектот на тунелот и се нарекува тунелска струја.
2.2. Кој е ефектот на тунелот?
Ефектот на тунелот е можност за елементарна честичка
На пример, електрон може да помине (тунел). потенцијална бариера, кога бариерната енергија е поголема од вкупната енергија на честичката. Можноста за постоење на ефект на тунел во микрокосмосот ја разбрале физичарите при создавањето на квантна механика, во 20-30-тите години на нашиот век. Последователно, поради ефектот на тунелот, експериментално откриени некои многу важни феномени во различни областифизика.
Сл.1 а - принцип на работа на STM:р x, р y, р z - пиезоелементи;- тунелен вакуумски јаз помеѓу сондата на врвот и примерокот;Јас т - тунелска струја; б - дијаграм што ја илустрира работата на STM. Струјата на тунелирање се создава кога се применува напон V с , се одржува константна од колото повратни информации, кој ја контролира положбата на врвот со помош на пиезоелектричен елементстр з . Снимање на напонски бранови V z во колото за повратни информации под истовремено влијание на напонот за скенирање на пила по должината на оските x и y формира слика на тунел, која е еден вид реплика на површината на примерокот |
Принципот на работа на микроскопот за скенирање тунел (STM) е прилично едноставен, но фундаментално различен од сите претходни техники што се користат во физиката на површината. Тенок метален врв монтиран на електромеханички погон ( X, Y, Z -позиционер), служи како сонда за испитување области на површината на примерокот (оризот. 1А ). Кога таков врв ќе се извади на површината на далечина, тогаш кога ќе се примени мал (од 0,01 до 10 V) пристрасен напон помеѓу врвот и примерокот V с низ вакуумската празнинапочнува да протекуваструја на тунелотЈас сум околу 10-9 . Под претпоставка дека електронските состојби се локализирани на секое атомско место, при скенирање на површината на примерокот во насока X и/или Y Со истовремено мерење на излезниот сигнал во колото може да се добие слика на структурата на површината на атомско ниво.
Постојат две опции за режимот на работа STM: режим на постојана висина и режим на постојана струја.
А б |
Сл.2. Варијанти на работа со приватна етикета. а) Режим на постојана висина. Б) Режим на постојана струја. |
Кога работите во режим на постојана висина, врвот на иглата се движи во хоризонтална рамнина над површината што се проучува (сл. 2а). Во овој случај, струјата на тунелот се менува и од овие промени лесно може да се одреди површинскиот релјеф на примерокот.
Кога работите во режим на постојана струја (сл. 2б), се користи систем за повратна информација што ја одржува константна струјата на тунелот со поместување на врвот на иглата во вертикална насока. Во овој случај, информациите за топографијата на површината се добиваат врз основа на податоците за движењето на иглата.
Општо земено, STM може да се смета како комбинација од три концепти: скенирање, тунелирање и локално сензорирање. Самото скенирање како средство за прикажување на објект е широко користено во други видови микроскопи, на пример, во електронски микроскоп за скенирање, како и во телевизиската технологија, а електронскиот тунел успешно се користи за проучување физички својствацврста состојба долго пред појавата на STM (како и контактна спектроскопија). Сето ова го прави STM уникатен микроскоп кој не содржи леќи, што значи дека сликата не е искривена поради аберации, енергијата на електроните што ја формираат сликата не надминува неколкуелектрон-волт(т.е. помалку енергија од типичното хемиска врска), што дава можност за недеструктивно тестирање на објект, додека во електронска микроскопијаПри висока резолуција, тој достигнува неколку килоелектронволти, па дури и мегаелектронволти, предизвикувајќи формирање на дефекти на зрачење.
И покрај неговата едноставност, дизајнот и производството на STM сè уште останува тешка задача. Дури и денес, има неколку лаборатории со STM кои работат со вистинска атомска резолуција. Сите STM може да се поделат во две главни групи: оние кои работат во воздух (или во друга средина) и во услови на ултра висок вакуум. Исто така, постојат STM со ниски температури кои работат на криогени температури. Во иднина ќе зборуваме само за STM со ултра висок вакуум што работат на собна температура. Да ги наведеме главните проблеми со кои се соочуваат програмерите:
1) изолација од акустични и механички вибрации;
2) создавање на електроника со голема брзина и ниска бучава која работи во широк динамички опсег;
3) обезбедување сигурни услови со ултра-висок вакуум што овозможуваат различни манипулации со примерокот;
4) производство на тенки атомски мазни врвови на сонда и нивна дијагностика.
За да го решат првично навидум несовладливиот проблем на изолацијата од вибрации, Биниг и Рорер дури користеле суперспроводливост магнетна суспензијаза да се приспособат на единицата за примерок и скенирање. Подоцна, овој проблем беше решен со користење на специјална суспензија на целиот микроскоп во вакуум на долги пружини и поставување на единицата за скенирање на масивна маса за изолација на вибрации. За да го доведете врвот на сондата до примерокот на растојание, еднаков на неколку ангстроми, и скенирање по површината, се користеше пиезомотор базиран на пиезоелектрика - тоа се материјали кои ги менуваат своите димензии под влијание на контролен напон (оризот. 1А).
Дијаграм кој го демонстрира STM уредот и неговата работа е прикажан воСлика 1б. Кон пиезоелектричниот елемент p z се напојува напон од излезот на повратниот засилувач, кој ја одредува големината на јазот помеѓу примерокот и врвот, а со тоа и големината на струјата на тунелот. Самата струја на тунелот мора да биде пропорционална на целната струја во секое време, која се одржува со компјутерски контролирана повратна јамка. За пиезоелементи p x и p y под контрола на истиот компјутер, се применуваат напони за пила, формирајќи хоризонтални и вертикални скенирања (растерски) слични на тоа како тоа се прави на телевизија. Напонски бранови форми V z се паметат од компјутерот, а потоа се претвораат во зависност z(x, y ), прикажувајќи ја траекторијата на врвот и, на тој начин, како тунелска слика на површината на примерокот. Како по правило, снимените сигнали подлежат на филтрирање и дополнителна компјутерска обработка, што овозможува прикажување на слики од тунел во таканаречениот режим на сива скала, во кој контрастот на сликата е во корелација со топографијата на површината: светлосните точки одговараат на повисоките лоцирани области и обратно. И во процес на работа дури и со првата верзија на STM во март 1981 година (само 27 месеци откако беше формулирана основен концепт!) експоненцијалната зависност на тековната карактеристика на тунелирањето беше експериментално докажанаЈас од далечина совет-примерок. 16 март 1981 година се смета за датум на раѓање на скенирана тунелистичка микроскопија.
3. Технички способности на тунелен микроскоп.
Главните технички карактеристики на STM се резолуција нормална на површината на предметот што се проучува и резолуција во рамнината XY. Вистинската резолуција на STM зависи од голем број фактори, од кои главни се надворешните вибрации, акустичната бучава и квалитетот на подготовката на сондата. Слика 3 ја прикажува структурата на свежото расцепување долж кристалографската рамнина на високо ориентиран пиролитички графит.
Слики од структурите на Сл. 3, a, b, c се добиени во услови на ниски, средни и високи нивоа на пречки.
Ориз. 3. Слика на површинската структура на свежото расцепување долж кристалографската рамнина (0001) на високо ориентиран пиролитички графит на различни нивоа на интерференција a, b, c.
Сликата на структурата на сл. 3в е добиена во конвенционално лабораториски услови, односно кога високи нивоамешање
Покрај резолуцијата на микроскоп, важна карактеристика е неговото корисно зголемување. За STM, корисното зголемување ќе биде околу 7 милиони пати (за споредба: за оптички микроскоп - 1000 пати).
Друга важна карактеристика на STM е максималната големина на полето за скенирање во рамнината XY и максимално движење на сондата нормално на површината. Првите дизајни на STM имаа многу мало поле за скенирање (не повеќе од 1 1 µm).
Техничките можности на STM може значително да се прошират. За таа цел се врши енергетска анализа на тунелирачките електрони, т.е. се добива спектралната зависност на струјата на тунелирањето.
3.2. Области на употреба.
1. Физика и хемија на површините на атомско ниво.
Користејќи тунелска микроскопија, беше можно да се реконструира атомска структураповршини од многу материјали. STM ви овозможува да добиете спектар на електронски состојби со атомска резолуција и да го одредите хемискиот состав на површинскиот слој, потенцијалната дистрибуција кога струјата тече низ примерокот итн.
2. Нанометрија – проучување на грубоста на површината на примерокот со нанометарска резолуција.
3. Нанотехнологија – истражување, производство и контрола на структури на уреди во микроелектрониката.
Врз основа на STM, особено, можно е снимање и репродукција на информации. При снимање, се користи ефектот на локално влијание на сондата на површината на медиумот за складирање. Овој ефект може да биде механички, создавајќи вештачко олеснување на површината во форма на јами - мемориски битови. Вештачки теренможе да се создаде и со термичка десорпција. Во овој случај, сондата делува како носител на материјал за да создаде делови од информации. Сондата може да се користи и како точка изворелектрони за електронска литографија, хемиски или структурни локални преуредувања на површината.
Кога се снимаат информации со помош на електронска литографија (нанолитографија), сонда се поминува низ врвот за кратко време голема силаструја на тунелотЈас т при зголемена потенцијална разликаУ , електрони или јони се испуштаат од врвот до површината на предметот или обратно, а на површината се формираат јами или вдлабнатини кои носат малку информации. Густината на снимање достигнува до 10 12 бита/см 2 . За споредба: густината на снимање на модерен уред за складирање што користи магнетен ефект (магнетни дискови) е 10 7 бит/см 2 , во ласерска изложеност(компактни дискови - ЦД) – до 10 9 бита/см2.
4. Проучување на биолошки објекти– макромолекули (вклучувајќи молекули на ДНК), вируси и други биолошки структури.
Треба да се напомене дека повеќето(приближно 80%) од сите објавени трудови припаѓаат на првата група области на примена на СТМ. ВО Во последно времеСе зголемува бројот на публикации кои припаѓаат на четвртата група.
5. STM има широки перспективи во областа на науката за материјали - во проучувањето на микро-, под- и кристални структуриразни материјали. Како и во други случаи (оптичка и електронска микроскопија), микропресеците можат да послужат како објекти за проучување на структурата на материјалите со користење на STM. Релјефот на микросекција добиен за време на офорт ќе ја одразува структурата на материјалот. Проучувањето на релјефот со користење на STM со висока резолуција ќе ги открие карактеристиките, пред сè, на субструктурната структура. Се чини дека методот на скенирање тунелска микроскопија ќе отвори широки можности за проучување на дефектите кристална структура(празни места, дислокации, итн.), различни сегрегации на атомите, вклучително и за време на фазни трансформации, особено на нивните раните фази. Определување, заедно со проучување на структурата на материјалот, хемиски составлокалните зони на површинскиот слој на објектот (STM спектроскопија), ќе овозможат да се натпреваруваат со електронска микроскопија за скенирање и структурна анализа на микро-ренгенски зраци, надминувајќи ја втората во однос на резолуцијата.
Сè уште има многу малку дела од областа на науката за материјали, особено од фундаментална природа, со користење на STM. Во моментов се работи на STM студии на некои метали и легури, метални фолии со дебелина од 0,5 nm, дифракциони решетки (произведени од микроелектроника и холографија), полупроводници, феритни глави, пукнатини за замор во метални материјали, јаглеродни микропорозни филтри, дијамант- како филмови, метални еднокристали, топлинско-изолациски материјали врз основа на синтерувани кварцни влакна, материјали во прав, дијаманти и други природни камења, фулерени и слични формации, филмови течни кристалиитн. Овие студии се главно поврзани со идентификување на структурата на различни материјали.
4 . Нанотехнологијата. Изгледи за развој.
Физичари истражувачки центаркомпјутерски концерн IBM Almaden во Калифорнија одлучи да го искористи за развој на нови компјутерски системина нанометарско и атомско ниво домино принципот. Улогата на домино камењата ја играат молекули кои кога „паѓаат“ формираат синџири кои овозможуваат производство на математички операции.
За нивното истражување, научниците користат микроскоп за скенирање тунели - изум германски физичарГерд Бининг, кој ја доби Нобеловата награда за тоа во 1986 година. Иглата со магнетизиран микроскоп се приближува речиси блиску до површината на носачот, меѓу нив - поради таканаречениот тунелен ефект - електрична енергија. Неговата вредност се одржува на исто ниво. Додека се движи по носачот, иглата или се оддалечува од површината или се приближува до неа, како да „истражува“ еден вид атомско „олеснување“.
Во голема мера, тунелскиот микроскоп на многу начини потсетува на плеерот познат од детството, само во него иглата не оди по нерамномерноста на винилната патека, туку по атомите на површината на медиумот. Проучувањето на релјефот се одвива без директен контакт со површината, но и покрај тоа, истражувачите веќе можат да ги преместуваат атомите од место до место, градејќи од нив нешто како детски лего конструктор. Иглата на играчот носи ситни честички прашина по површината на плочата, како да ги турка пред себе. Тунелскиот микроскоп може да го направи истото, само со микрочестички.
Долго време, физичарите на IBM успеваа да го изложат корпоративното лого (сл. 4) на нивната грижа од поединечни атоми.
Ориз. 4. Име на брендот IBM.
Сепак, ова може да се каже дека не е ништо во споредба со резултатите што неодамна ги постигна директорот на лабораторијата Андреас Хајнрих:
„Покажавме дека сме способни не само да цртаме атомски графити на површината, туку и да изградиме активни логички структури од поединечни атоми, што ќе овозможи во иднина да користиме слични технологии за создавање субминијатурни компјутери.
Хајнрих и неговите колеги не работат со атоми, туку со молекули малку поголеми по големина. јаглерод моноксид. Според специфична шема, научниците поставиле 550 молекули на површина обложена со бакар. За јасност, Андреас Хајнрих дава аналогија со домино кои паѓаат во одредена низа или остануваат да стојат на површината на масата. Доминото имаат само две можности - или лежат или стануваат. Истото е и со молекулите на јаглерод моноксид: тие или остануваат на своето место или се движат една позиција понатаму.
Според Андреас Хајнрих, растојанието помеѓу двете позиции е четвртина нанометар. Молекулата „скока“ до следната позицијаи ја турка соседната молекула од место. Така произлегува верижна реакција.
И што е најважно: Хајнрих ги распоредил молекулите така што тие можат да комуницираат едни со други, сретнувајќи се на одредени точки. Овие „места за состаноци“ се елементи на логички синџири. Тие се справуваат со едноставни пресметковни операции како што е логичкото множење:
„Логичкото множење обезбедува два влезни импулси и еден излез. Излезен импулс може да се појави само кога се применуваат двата влезни импулси. Тоа значи дека ако пристигне само еден од нив, нема да има излезен пулс“.
ВО вкупнофизичарите подредиле шест различни логички операции. Тие се поврзани на одреден начин и претставуваат еден вид на компјутер. Оваа извонредна изведба се одвива на површина со димензии 12 на 17 нанометри. За споредба: во денешните компјутерски чипови, еден транзистор зафаќа површина од 2.000x2.000 нанометри. Значи, пресметувањето на нанометарско ниво стана реалност.
Сепак, рано е да падне во еуфорија. Оваа ветувачка технологија има еден голем недостаток: исто како редица домино што може да се собори само еднаш, истражувачите се принудени постојано да ги градат нашите структури молекула по молекула. Односно, за да се направи нова пресметка, потребно е, со помош на тунелски микроскоп, повторно да се доведе секоја молекула во првобитната состојба. И овој процес може да трае со часови. Значи, за сега, нано-домино не се во можност да се натпреваруваат со Pentium:
„Мора да се има предвид дека овде не зборуваме за презентација на готови компјутерска технологија. Важно е дека експериментот ја докажа можноста за создавање компјутерски системина атомско ниво“.
Научникот ги сподели своите планови за иднината. Наместо механички да се движат молекулите, физичарите ќе користат електромагнетни полиња за да ја променат насоката на ротација на јадрата на атомите - „нуклеарни вртења“. Ова веќе го прават истражувачите од MIT Media Lab во Бостон, кои работат на создавање таканаречени „квантни компјутери“ кои исто така работат со специјални молекули.
5. Заклучок.
Накратко ја разгледавме историјата на STM и стекнувањето структурни и електронски површински слики со атомска резолуција. Од неговиот пронајдок, СТМ е широко користен од научниците во различни специјалности, покривајќи ги речиси сите природни науки дисциплини, почнувајќи од основни истражувањаво областа на физиката, хемијата, биологијата и до специфични технолошки апликации. Принципот на работа на STM е толку едноставен, а потенцијалните можности се толку големи што е невозможно да се предвиди неговото влијание врз науката и технологијата дури и во блиска иднина.
6. Библиографија.
1. Од субмикрон до нанотехнологија. / Ју.С.Борисов, В.В.Ракитин, Н.С.Самсонов/
2. Физички основиполупроводничка нанотехнологија. /Белјавски В.И./
3. Нанотехнологија со користење на STM. /Неволин В.К., Хлебников Ју.В., Шермегор Т.Д. /
4. Нанолошки процеси и инсталации. /Лускинович П.Н./
5. Наноиндустрија и микросистеми. /Алексенко А.Г/
6. СТМ - мерен инструментнанотехнологија./А.Бичихин, М.О.Галјамов, В.В.Потемкон, А.В.Степанов, И.В.Јамински/
Страница од
Микроскопот за скенирање тунели (STM) е создаден во 1982 година од Г. Биниг и Х. Рорер, членови на одделот за истражување на IBM. Тоа откри многу ветувачки научни и применети способности истражувачка работаво областа на нанотехнологијата и беше првиот технички уред со кој беше постигната пријатна визуелизација на атомите и молекулите. За создавањето на STM, G. Binnig и H. Röhrer беа наградени во 1986 г. Нобелова наградаво физиката.
Механизмот на работа на STM е како што следува: до површината на спроводен стандард на карактеристично меѓуатомско растојание на фракции нанометар, се испорачува многу тенко железоточка (игла). Кога ќе се примени потенцијална разлика од ~ 0,11 V помеѓу прототипот и иглата, се јавува струја во колото (сл. 4.13) поради тунелирањето на електроните низ јазот меѓу нив.
Струјата на тунелот е ~110nA, т.е. има величина што може целосно да се измери експериментално.
Бидејќи можноста за тунелирање низ можна бариера експоненцијално зависи од ширината на бариерата, струјата на тунелирање се намалува со зголемување на јазот помеѓу иглата и стандардната површина Z експоненцијално и минијатуризира за приближно ред на големина кога Z се зголемува зана секои 0,1 nm. Експоненцијалната зависност на струјата на тунелирање од растојанието обезбедува многу висока резолуција на STM.
По должината на оската Z, нормално на стандардната површина, резолуцијата на STM е ~ nm, а долж оски X,Y, паралелно стандардна површина,~ nm. Со поместување на врвот STM по површината на стандардот, т.е. Со скенирање на површина, можно е да се добијат информации за топографијата на површината со атомска просторна резолуција.
Постојат две опции за режимот на работа STM: режим на постојана висина и режим на постојана струја. Кога работите во режим на постојана висина, врвот иглата се движи во хоризонтална рамнина погореповршината што се проучува (сл. 4.3а). При сето тоа се менува струјата на тунелот и од овие промени едноставно може да се одреди релјефот на стандардната површина.
Кога работите во режим на постојана струја (сл. 4.3б), се користи систем за повратна информација, кој ја одржува константна струјата на тунелот за s движење на точката на иглата во вертикална насоканасока. ВО во овој случајинформациите за површинската топографија се добиваат врз основа на податоците за движењето на иглата.
Општата шема на STM е прикажана на сл. 4.4.
Користејќи груб пристап и систем за позиционирање, иглата STM се доведува на површината што се испитува на растојание од ~ 0,1 μm. Претстојни поместувањето на иглата и испитувањето на површината се врши со користењеспецијален уред за скенирање. Овој уред е направен од пиезоелектричен материјал, т.е. супстанција способна да ги менува своите линеарни димензии кога на неа се применува електронско поле и ви овозможува да го преместите врвот STM преку површината на стандардот со многу висока точност.
Една од поважните компоненти на STM е иглата (врвот), која користи тесна волфрамска жица, ванадиум или друг проводникматеријал. За да се подобрат карактеристиките на врвот на точката, тој е хемиски гравиран. Експериментите покажуваат дека гравирањето на врв со радиус на врвот од μm всушност обезбедува резолуција на атомско ниво.
Движењето на уредот за скенирање и работата на системот за повратни информации се контролирани од компјутерот. Се користи за снимање на резултатите од мерењето, нивните обработка и визуелизација на студијатаповршини. Типичните резултати од истражувањето извршени со користење на STM се прикажани на сл. 4.16, кој покажува слики на молекули адсорбирани на површината на бакарен кристал. Аксијалните димензии се дадени во ангстроми (m).
Важно е да се напомене дека STM, за разлика од другите електрични микроскопи, не содржи леќи и, како што следува, сликата добиена во него не е искривена поради аберации. Покрај тоа, енергијата на формирањето на електроните сликата STM не надминува неколку електронволти, т.е.се покажува дека е помала од соодветната енергија на хемиската врска, што дава можност за недеструктивно тестирање на стандардот за тестирање. Потсетиме дека во електрична микроскопија највисока резолуцијаенергијата на електроните достигнува стотици килоелектронволти, што доведува до формирање на дефекти на зрачење.
ВО сегашно времеветувачки следните области на имплементација на приватна етикета:
- физика и хемија на површини на атомско ниво;
- нанометрија - проучување со нанометарска резолуција на грубоста на површината, процесите на нуклеација при растење на филмот, процеси на хемиско или јонско гравирање, таложење итн.;
- нанотехнологија - истражување и производство на структури на уреди со големина на нанометар;
- проучување на макромолекули, вируси и други биолошки структури.
Слика 4.6 покажува слика на „квантен корален гребен“ со дијаметар од 14,3 nm, формиран од атоми на Fe на кристал од Cu.
Ориз. 4.6 Дводимензионален квантен бунар (површини со електричен потенцијал).
Мора да се нагласи дека можностите на STM одат многу подалеку од опсегот на чисто микроскопски задачи. Со негова помош, да на пример, можете да ги принудите атомите да се движатповршини и собирајте од нив вештачки структуринанометарски големини.
Ориз. 4.7 Микромеханичко склопување во STM (молекули на CO на платина).
Ориз. 4.8 Микромеханичко склопување во STM (ксенонски атоми на никел).
Ваквите способности на STM го прават ветувачка алатка за дизајнирање и развој на следната генерација на нанотехнологија, на пр. квантен компјутер . Микроскопот за скенирање тунел беше прототип за целото семејство на понапредни микроскопи за скенирање.
Врз основа на STM, создаден е микроскоп за скенирање на атомска сила (AFM), кој овозможува проучување на непроводливи супстанции, микроскоп на магнетни сили, што овозможува да се научи магнетнатакарактеристики на површината.
Сè што е кажано погоре за STM ни овозможува да го извлечеме следниот заклучок: „Принципот на работа на STM е толку едноставен, а потенцијалните способности се толку значајни што е нереално да се предвиди неговото влијание врз науката и технологијата дури и во блиска иднина“.
Принципот на работа на STM се заснова на оној опишан погоре ефект на тунел, овозможувајќи да се набљудува, па дури и да се контролира позицијата на поединечни атоми, т.е. работат со точност до неколку ангстроми, што во моментов е максимум за сите постоечки научни и технички методи.
Дизајн на микроскопи за скенирање тунел (Сл. 5.6.1).
Ориз. 5.6.1 Дијаграм на дизајн и работа на микроскоп за скенирање тунел:! - x+y скен: 2 - STM слика по компјутерска обработка; 3 - примерок: 4 - прилагодување на колото за повратни информации
Работното тело на STM - сондата - е проводна метална игла. Сондата е изнесена на површината што се проучува на многу време блиски четвртини(~ 0,5 nm) и кога се нанесува на сондата DC напон, помеѓу нив се јавува струја на тунелирање, која експоненцијално зависи од растојанието помеѓу сондата и примерокот. Тоа значи дека со зголемување на растојанието од само 0,1 nm, струјата на тунелот се намалува за речиси 10 пати. Токму тоа обезбедува висока резолуција на микроскопот, бидејќи малите промени во висината на релјефот на површината предизвикуваат значителна промена во струјата на тунелирањето.
Одржувајќи ја струјата и растојанието константни користејќи систем за следење, сондата ја скенира површината, движејќи се по неа по оските Xи Y, потоа се спушта и потоа се крева во зависност од неговото олеснување.
Информациите за ова движење се следат од компјутер и се визуелизираат во софтвер, така што истражувачот може да го види предметот на екранот со потребната резолуција.
Постојат две опции за дизајн на STM во зависност од режимот на скенирање на примерокот.
Во режимот на постојана висина, врвот на иглата се движи во хоризонтална рамнина над примерокот, а струјата на тунелирањето се менува (Сл.
5.6.2-а). Врз основа на податоците за големината на струјата на тунелирање измерена во секоја точка на површината, се конструира слика на нејзиниот релјеф.
Во режимот STM со постојана струја, се користи систем за повратна информација за одржување на постојана струја на тунелирање со прилагодување на висината на уредот за скенирање над површината во секоја точка (Сл.
Ориз. 5.6.2-а; б STM режими на работа.
Секој режим има предности и недостатоци. Режимот за постојана висина е побрз бидејќи системот не мора да го движи уредот за скенирање нагоре и надолу, но сепак дозволува корисни информациисамо од релативно мазни примероци. Во DC режим, можете висока точностпроучувајте сложени површини, но потребно е и повеќе време.
Важен дел од микроскопот за скенирање тунели е механички манипулатор, кој мора да обезбеди дека сондата се движи над површината со точност од илјадити нанометар. Вообичаено, механички манипулатор е направен од пиезоелектричен материјал.
Неверојатно својство на таков материјал е пиезоелектрицитетот. Неговата суштина е како што следува: ако исечете правоаголен зрак од пиезоматеријал, нанесете го на спротивни страниметални електроди и примени потенцијална разлика на нив, тогаш под влијание на струјата ќе се променат геометриските димензии на зракот. И обратно: со најмала деформација (компресија) на зракот, ќе се појави потенцијална разлика на неговите спротивни краеви. Така, со контролирање на мали промени во струјата, можно е да се движи сондата на многу мали растојанија неопходни за работа на микроскоп за скенирање.
Во практичните дизајни, обично се користат пиезокерамички манипулатори (сл. 5.6.3), направени во форма на тенкоѕидна цевка со неколку посебни електроди. Контролниот напон предизвикува издолжување или свиткување на таквите манипулатори и, соодветно, движење на сондата по сите три просторни координати X, Y и Z.
Ориз. 5.6.3
Дизајните на современите манипулатори обезбедуваат опсег на движење на сондата до 100-200 µm во рамнината и до 5-12 µm во висина.
Тунелскиот микроскоп им овозможи на научниците да ги испитаат површините на атомско ниво. Сепак, овој уред има и голем број ограничувања. Врз основа на ефектот на тунелот, може да се користи само за проучување на материјали кои добро спроведуваат електрична енергија.
Сликите добиени со користење на STM се прикажани на сл. 5.6.4
Ориз. 5.6.4 Слики добиени со STM: а - површина на графит, б - студии на врски во атомот на соединение што содржи јаглерод:
I - дијаметар: 2 - аголна јама: 3 - адатом: 4 - Раст-јатом .
Со помош на микроскоп за скенирање тунели, можете да видите поединечни атоми на супстанција без вообичаен вакуум во таквите студии и на собна температура.
Микроскопот за скенирање тунели (STM), создаден пред 30 години во лабораторијата IBM во Цирих, оттогаш ја држи дланката во однос на резолуцијата меѓу другите микроскопски методи - бидејќи може да „испита“ поединечни атоми до водород. И не е лесно да се погледне - со помош на STM можете да ја измерите електронската структура на површината, па дури и да „поместите“ молекула или дури и поединечен атом.
Дизајн на микроскоп за скенирање на тунел.
Модификација на сондата со употреба на фулерен.
Скенирање на површината на епитаксијален графен со помош на модифицирана сонда.
Скенирање на површината на молибден дисулфид со помош на модифицирана сонда.
Принципот на работа на STM се заснова на ефектот квантно тунелирање. ВО необичен светквантната механика одговара на електрон бранова функција. Ја опишува распределбата на веројатноста во која се наоѓа електронот одредено местосо одредена енергија – во границите на Хајзенберговиот принцип на неизвесност. Односно, невозможно е да се одреди положбата или моментот на честичка со апсолутна точност. Така, ако електрон се наоѓа веднаш до потенцијална бариера (во случај на тунелен микроскоп, улогата на таквата бариера ја игра јазот помеѓу врвот на сондата и површината), тогаш постои конечна веројатност дека електронот може да заврши на другата страна на оваа бариера - на површината на примерокот. Односно, спротивно на нашата „макро-интуиција“, ако фрлите електронска топка на ѕид од бариера, таа нема да отскокне, туку ќе помине низ ѕидот и ќе продолжи да се движи од другата страна.
Ефектот на тунелот на микроскопот за скенирање тунели овозможува да се проучуваат топологијата и структурата на површината на примерокот од микроскопот, како и неговиот хемиски состав (види Сл. 1). Уредот ја „скенира“ површината со помош на сонда за игла под напон, толку тенка што само неколку атоми се вклопуваат на нејзиниот врв. На растојание помеѓу сондата и површината од редот од 0,4-0,7 nm, електроните се тунели до површината на примерокот. Струјата на таквите електрони зависи од напонот на сондата, локалната густина на состојбите на одреден површински атом, како и од растојанието помеѓу сондата и површината (во вториот случајсе јавува експоненцијална зависност).
STM има два режима на скенирање. Во еден од нив, системот за повратни информации поддржува поставена вредностструја на тунелот, а топографијата на површината се репродуцира врз основа на секвенцата на движење на сондата. Во вториот режим, сондата одржува одредено растојание од површината, а микроскопот ги следи промените во струјата на тунелирањето. Во двата случаи, положбата на сондата се следи со користење на пиезо елементи. Пиезоелектриците се материјали кои ја менуваат својата големина во зависност од струјата што минува низ нив (и обратно - кога се менува големината, струјата во нив се менува). Бидејќи имаат ултра прецизен одговор, тие се вообичаена алатка за многу прецизно движење на предметите.
Обично, скенирањето се одвива во неколку фази. Прво, за да се добие идеја за површинската топологија во дадена област, се прави општо скенирање со површина од околу 1-1,5 микрони. Потоа се испитува површина од околу 100 nm во големина, избрана врз основа на претходното скенирање и така натаму, додека не постигнеме директни мерења на она што ни треба. Ова може да биде мерење на растојанијата помеѓу атомите, проучување на структурата на површината или мапа на густина атомски состојби; Микроскоп може да се користи и за манипулирање со специфичен атом или молекула. Резолуцијата на STM при вакви мерења е околу Ангстром (0,1 nm) во рамнината и 0,01 nm во длабочина.
Неодамна, се покажа дека додавањето одредени молекули на врвот на сондата STM ја подобрува резолуцијата на микроскопот и хемискиот контраст. Обично, таквите мерења се одвиваат во ултра-длабок вакуум, на екстремно ниски (криогени) температури (4–100 степени над апсолутната нула) и бараат совршено чиста површина. Ваквите експерименти се многу трудоинтензивни - на пример, примероците треба да се одгледуваат директно во микроскопот - и секое мерење одзема многу време.
Ако STM може да се прилагоди на собна температура, тоа во голема мера ќе им помогне на многу физичари, вклучувајќи ги и оние кои работат со дводимензионални кристали како што се графен и ветувачкото семејство на дихалкогениди на преодни метали. Тие активно се проучуваат низ целиот свет, бидејќи ваквите дводимензионални кристали во иднина ќе овозможат создавање наноелектроника со атомска дебелина со јасно дефинирана електронска структура. Во однос на електронски и оптички електронски својстваОд интерес не се само поединечни дводимензионални кристали, туку и таканаречените ван дер Валс хетероструктури: „слојна торта“ од графен, бор нитрид и горенаведените дихалкогениди.
Питер Нирмарај ( Питер Нирмарај) од лабораторијата IBM и неговите колеги од Швајцарија, Ирска и САД развија метод кој овозможува набљудување на површини со атомска резолуција на собна температура. Истражувачите ја модифицирале сондата STM со прицврстување на фулерен C60 на неа (што е сферична молекула од 60 јаглеродни атоми со дијаметар од околу 1 nm, слична по структура на фудбалска топка). Со потопување на сондата во силиконско масло (вискозна, неполарна, хемиски инертна течност), го стабилизираме фулеренот и тој подолго се задржува на врвот на сондата. Во исто време, маслото совршено ја штити површината на примерокот од изложување на атмосферата без потреба да се евакуира мерната комора во ултра-висок вакуум.
Како може молекула од 60 атоми да се постави на врвот на сонда со дијаметар со споредлива големина? За да го направите ова, раствор кој содржи фулерени со дадена големина се нанесува на претходно подготвена подлога. Исушената подлога се скенира со помош на сонда (види слика 2, струјата на тунелот за време на мерењето и напонот преку сондата се означени над скенирањето). Врвот на иглата се приближува до избраниот фулерен и „оди околу него“, како што е прикажано на илустрацијата. Со правилна комбинација на напон на сондата и струја на тунелот, фулеренот се прилепува на сондата. Потоа се прави тест скенирање на истата област за да се обезбеди правилна работамодифицирана сонда и може да ја смените подлогата со фулерени во кивета со примероци потопени во масло.
Хибридната сонда беше тестирана на примероци од графен и молибден дисулфид MoS 2, популарен претставник на дихалкогенидите на преодните метали. Мерењата покажаа дека со оваа конфигурација на микроскоп е можно детално да се проучи структурата на површината и точно да се одреди должината на меѓуатомските врски - не полошо отколку при ниски температури во вакуум.
Примерок од графен за експериментот беше одгледуван на површината на кристал од силициум карбид (SiC) со помош на епитаксија (т.е. последователен раст на еден кристал на површината на друг). На слика 3, границата помеѓу двослојниот и еднослојниот графен е јасно видлива, а атомите на јаглерод во решетката од саќе се јасно видливи. Типичните „бранови“ на површината на еднослоен графен се исто така јасно видливи - тие ја стабилизираат дводимензионалната структура и обично немаат значително влијание врз електронските својства.
Слика 4 покажува мерења на MoS 2 (неговата хемиска структура е прикажана во форма на топки поврзани со „стапчиња“ на хемиска врска). Прелиминарното скенирање јасно го покажува раслојувањето на кристалот, а дебелината на секој слој може точно да се измери. Видлива е и периодична „мрежа на Моаре“, која се јавува поради неусогласеноста помеѓу константата на решетката на MoS 2 и златната подлога на која се одгледува. За споредба, константата на решетката Моаре е околу 32 Ангстроми (3,2 nm), додека константата на решетката MoS 2 е 3,2 Ангстроми. Целосните резултати од работата беа објавени во Природа комуникации .
Главната работа овде е што сондата STM со фулерен можеше правилно да ги измери меѓуатомските растојанија и дебелината на слоевите на графен и молибден дисулфид. Ова значи дека мерењата на собна температура и со сондата потопена во силиконско масло се исто толку добри како и резултатите добиени во вакуум и на ниски температури. Покрај електронските својства на самите материјали и нивните нано уреди, важен факторе стабилност во воздухот, бидејќи таквите структури лесно можат да оксидираат. Да се изберат најперспективните материјали и нивните комбинации за потенцијални апликации, заедно со електронските и структурни својства, важно е да се проценат ефектите на атмосферата и растворувачите врз кристалната и електронската структура, а методот на Питер Нирмалај дозволува таквите мерења да се направат релативно лесно и брзо.
Микроскопијата со скенирачка сонда е една од најпознатите моќни методипроучување на објекти од нанотехнологијата. Првиот од сонда микроскопиИмаше микроскоп за скенирање тунел (STM). STM произведува извонредни слики од поединечни атоми.
Работата на STM се заснова на феноменот на тунелирање на електрони низ тесна потенцијална бариера во вакуум помеѓу метална сонда и проводен примерок во надворешно електрично поле. Ова е прикажано шематски на Сл. 1. Ефектот на тунелирање има квантна природаи е како што следува. Постои ненулта веројатност дека честичката (на пример, електрон) ќе надмине потенцијална бариера дури и ако вкупна енергија(останува непроменет) е помала од висината на бариерата. Во STM, сонда се доведува до површината на примерокот на растојанија од неколку ангстроми и се формира тунел-транспарентна потенцијална бариера, чија вредност се определува главно од вредностите на работната функција на електроните од сондата и материјалот на примерокот. Кога ќе се примени потенцијална разлика помеѓу врвот и примерокот, меѓу нив почнува да тече електрична струја, предизвикана од тунелирање на електрони.
И покрај фактот дека ефектот на тунелирање е забележан само за квантни објекти, често е можно да се направи без квантна механика да се анализира работата на STM. Кога се гледа квалитативно, бариерата може да се смета за правоаголна (види слика 1, во која формата е искривена поради присуството на потенцијална разлика помеѓу сондата и примерокот). Во овој случај, ефективната висина на бариерата φ * е еднаква на просечната работна функција на материјалите на сондата φ 3 и примерокот φ 0: φ* = (φ 3 + φ 0)/2. За проценки и квалитативно расудување, следнава поедноставена формула често се користи за густината на струјата на тунелот j T што тече помеѓу два спроводници одделени со вакуумска тунелна бариера (види формула 1, во која j 0 е константа во зависност од потенцијалната разлика помеѓу проводниците , h = 6,6× 10 –34 J×s – Планкова константа, m e – електронска маса, φ * – ефективна висина на бариерата на тунелот (во енергетски единици, на пример во eV)).
Се разбира, во реалноста, на атомска скала, врвот на сондата STM и областа на примерокот што се проучува изгледаат сосема поинаку од она што е прикажано на слика 1. Сликата прикажана на слика 2, која ја зема предвид атомската структура на материјата, е многу поблиску до реалноста.
Прашање 1. Струја на тунел тече низ секој атом на сонда што има примерок атом до себе. Врвот на сондата STM всушност не се состои од еден атом, туку од неколку. Сепак, STM многу често овозможува разрешување на поединечни атоми. Зошто се случува ова (1 поен)?
Честопати, за да може STM-сондата да биде „добра“ и да дозволи да се видат поединечни атоми, таа едноставно мора да заврши со еден атом (како што е прикажано на слика 2).
Прашање 2. Врз основа на формулата (1), докажете дека ако висината на тунелската бариера е 5 eV, напонот на сондата е 10 mV, растојанието од крајот на сондата до површината е 5 Å и точноста на мерењето на струјата на тунелот е 10%, STM ќе ви овозможи да видите дека неколку атоми на површината се подлабоки од другите за 0,5 Å. Се претпоставува дека сондата STM е „добра“ (2 поени).
Бидејќи операцијата STM се заснова на феноменот на тунелирање, добиените податоци содржат информации не само за релјефот, туку и за електронска структураповршината на примерокот, на пример за работната функција на електроните.
Прашање 3. Предложете начин да се измери локалната ефективна висина на бариерата од тунел користејќи STM (1 поен).
Прашање 4. Предложете метод за мерење на локални функции на работа на електрони за сондата и примерокот користејќи STM во тој случај (2 поени).
Условите на проблемот може да се преземат како .