1. Ю.И.Головин «Введение в нанотехнику», Машиностроение, Москва, 2007 г.
2. Ч.Пул, Ф.Оуэнс «Нанотехнологии», Техносфера, Москва, 2004.
3. М.С.Блантер «Нанотехнологии и наноматериалы», учебное пособие на cd, 2007г.
4. А.И.Гусев «Наноматериалы, наноструктуры,нанотехнологии»,Физматлит, Москва, 2005.
Текст лекции
Сканирующие зондовые методы исследования и создания нанообъектов
В 1982 г. Гердт Бинниг (Gerd Binning) и Генрих Рорер (Heinrich Rohrer) создали первый сканирующий зондовый туннельный микроскоп (Scanning Tunneling Microscope-STM), а в 1986 году – зондовый атомно-силовой микроскоп (Atomic Force Microscope-AFM).
Схема осуществления сканирующих зондовых методов исследования и модификации поверхности в нанотехнологии показана на рис. 1. Основа – зонд, изготовленный в виде иглы с радиусом при вершине ~ 10нм.( рис.3), сканирующий механизм и система регистрации, построенная на различных принципах.
Рис. 1. Типовая схема сканирующего зондового микроскопа (верхний рисунок) и схема тунельной (левый рисунок) и силовой (средний рисунок) микроскопии.
Рис. 2. Схема, иллюстрирующая принцип сканирующей зондовой микроскопии:
1 - зонд; 2 - локализованное физическое поле; 3 - атомы на исследуемой поверхности;
4 - сигнал с зонда; сплошные линии - рабочие ходы развертки при сканировании
поверхности; пунктирные - обратные нерабочие ходы
Общими конструктивными узлами и компонентами всех сканирующих зон-довых микроскопов являются следующие элементы:
зонд, обычно выполненный в виде иглы с эквивалентным радиусом закругления при вершине от единиц до десятков нанометров (бывают зонды и более сложных геометрии и структуры);
пьезосканер, позволяющий перемещать зонд в пространстве с точностьюдо-0,01...0,001 нм;
цепи обратной связи между полезным сигналом с зонда и пьезоактуатором, определяющим его положение;
двух- или трехкоординатный столик, дающий возможность менять область исследования на образце;
электронный блок - контроллер и персональный компьютер, которыеуправляют всеми циклами;
программное обеспечение, с помощью которого обрабатывается сигнал истроится изображение на мониторе компьютера;
виброзащитный стол.
Цепи обратной связи позволяют удерживать кончик зонда на заданном расстоянии от поверхности сложной топологии и предохранять его от нежелательных контактов с внезапными возвышениями на ней. Сигнал обратной связи может служить и источником информации о точке, над которой находится зонд в данный момент времени.
Рассмотрим два метода – туннельную сканирующую микроскопию и атомно-силовую микроскопию
1.Сканирующая туннельная микроскопия
При этом методе между иглой и образцом есть зазор, через этот зазор идет слабый туннельный ток, который регистрируется (рис. 4). Напряжение в зазоре составляет 0,01-10В. Образец должен обладать электропроводностью, поэтому, таким способом можно исследовать металлические и полупроводниковые образцы.
Рис.3. Кончик иглы сканирующего туннельного микроскопа
Рис.4. Принцип действия сканирующего туннельного зондового микроскопа (SТМ) :1 - зонд; 2 - образец; It - туннельный ток в зазоре δ; EF – уровень Ферми; U - напряжение, приложенное к зазору (0,01 - 10 В); W - энергия; е - заряд электрона; Z - ось, нормальная к поверхности образца
Туннельный эффект – это квантовый переход электронов через область, запрещенную классической механикой. При зондировании поверхности состояние электронов на поверхности под зондом зависит от того, какие атомы располагаются под зондом, какую атомную структуру они образуют и какие дефекты существуют на этой поверхности. Обычно при сканировании поверхности зондом поддерживают постоянную величину туннельного тока, изменяя необходимое для этого напряжение. В результате регистрации этого напряжения и его изменения при движении зонда по поверхности, получают информацию об этой поверхности. Такое изменение напряжения на атомной поверхностной ступеньке показано на рис. 4.
Сканирование проводится при малых токах и малых напряжениях, так что структура образца не нарушается. Лучшее разрешение по осям x и y (в плоскости) составляет 0,1 нм и по z (перпендикулярно поверхности) ~ 0,001 нм. По вольт – амперной характеристике (зависимость тока в приборе от напряжения) можно определить тип атома, над которым находится зонд, и другие характеристики поверхности.
Точность и чувствительность прибора сильно возрастают, если образец находится в высоком вакууме и при низких температурах.