1. Сканирующий туннельный микроскоп (стм)

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — первый из семейства зондовых микроскопов — был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными Гердом Биннигом и Ген­рихом Рорером. В своих работах они показали, что это доста­точно простой и весьма эффективный способ исследования поверхности с пространственным разрешением вплоть до атомного.

Принцип работы СТМ. Несмотря на уникальные воз­можности туннельного микроскопа принцип его работы от­носительно прост и основан на явлении туннелирования электронов сквозь узкий потенциальный барьер между ме­таллическим зондом-острием и проводящим образцом в электрическом поле. С помощью грубого и тонкого пьезопри­водов зонд подводится перпендикулярно к поверхности об­разца на расстояние S в несколько десятых долей нанометра, при котором волновые функции электронов ближайших друг к другу атомов острия зонда и исследуемого образца пе­рекрываются. При этом образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер, величина которого определяется, в основном, значениями работ выхода электронов из матери­алов зонда Ф₁ и образца Ф₂. При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным с эффективной высо­той, равной среднему значению работ выхода (рис. 1.1):

Ф ≈ (Ф₁ + Ф₂) / 2.

При приложении к туннельному зазору раз­ности потенциалов U между зондом и образцом появляется туннельный ток. Его значение определяется в основном ве­личиной зазора S и приложенным напряжением U. В процес­се туннелирования участвуют, в основном, электроны с энер-

гией в окрестности уровня Ферми E_F. В случае контакта двух металлов с зазором при условии малости приложенного напряжения приближении) в упрощенном виде мож­но записать следующим образом:

] ≈ Jo(U) · exp(-k·S),

в котором величина j₀(U) = q / 2n·h ·S², ak = [m· Ф/ h]¹/² — константа затухания волновой функции в области потенциаль­ного барьера (туннельного зазора). Здесь т и q — соответствен­но масса и заряд электрона, h — постоянная Планка. Для типичных значений работы выхода Ф ≈ 4,5 эВ константа зату­хания имеет величину k ≈ 0,11 нм^-1 , так что при изменении S на величину -0,1 нм величина тока меняется на порядок. Реальный туннельный контакт в СТМ не является одно­мерным (он имеет более сложную геометрию), однако основ­ные черты туннелирования, а именно, экспоненциальная за­висимость тока от расстояния зонд-образец, сохраняются так­же и в этом случае, что подтверждается экспериментально.

Экспоненциальная зависимость тока от величины зазора между иглой и поверхностью (ширина туннельного барьера)

Рис. 1.1. Схема туннелирования электронов сквозь потенциальный барьер в туннельном микроскопе

Рис. 1.2. Формирование СТМ-изображения поверхности в режиме постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния (б)

позволяет через цепь обратной связи (вертикальное переме­щение иглы — изменение тока — сигнал управления приво­дом иглы) с высокой точностью поддерживать расстояние от острия иглы до поверхности образца. Задавая I = const с точ­ностью, например, 2%, можно поддерживать постоянной величину зазора S с точностью 10-³ нм.

Формирование изображения рельефа исследуемой по­верхности. Изображение рельефа поверхности в СТМ фор­мируется двумя способами. В режиме постоянного туннель­ного тока I = const (рис. 2, а) зонд при подаче на пьезодвигатели напряжений развертки U_х и U_y, перемещаясь вдоль поверхности образца, осуществляет ее сканирование; при этом изменение напряжения на Z-электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память ком­пьютера в виде функции U₂ = f(x, у), а затем средствами компьютерной графики воспроизводится как топография по­верхности образца. Отображение топографии поверхности будет неискаженным лишь при постоянстве работы выхода электронов из образца по всей исследуемой поверхности. При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ-изображе- ния поверхности в режиме постоянной высоты Z - const. В этом случае зонд передвигается над поверхностью на рас­стоянии нескольких десятых долей нанометра, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ-изображения поверхности (рис. 2, б). Сканирование производится либо при отключенной ООС, либо со скоростя­ми, превышающими скорость реакции ООС, так что ООС от­рабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. Высокие скорости сканирования и высокая частота получе­ния СТМ-изображений позволяют вести наблюдение за изме­нениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени. Разрешение в плоскости (х, у) образца определяется, в основном, качеством острия. Для вольфрамового острия, на конце которого располагается лишь один атом, оно может быть лучше 0,3 нм. Поэтому на изображении атомно-глад- кой поверхности видны «выпуклости» атомных размеров или, если их перевести в контраст яркости, можно «видеть» отдельные атомы (рис. 3).

Поле сканирования с помощью пьезоэлектрического дви­гателя может составлять несколько десятков микрометров. Например, СТМ с разрешением 1 нм может иметь поле сканирования 0,3 х 0,3 . При этом размеры образца практи­чески не ограничены и поле зрения СТМ может перемещать­ся механическим манипулятором, что позволяет проводить изучение на поверхности большой площади.

Рабочая среда СТМ. В туннельном режиме СТМ может работать в широком диапазоне температур как в вакууме, так и в обычных атмосферных условиях или в диэлектриче­ских жидкостях. При работе на воздухе вероятность нахож­дения в туннельном промежутке молекул окружающего воз­духа очень мала (из-за малого размера этого промежутка), и протекание туннельного тока происходит так же, как и в ва­кууме, а окружающая среда влияет только на чистоту иссле­дуемой поверхности (возможно присутствие адсорбционных или окисных слоев из-за взаимодействия поверхности образ ца с активными газами атмосферы). Покрытие поверхности образца диэлектрической жидкостью не влияет на результат измерения топографии и может быть использовано в качест­ве защитной среды от загрязняющего влияния окружающей атмосферы.

В газах и жидкостях при атмосферном и более высоком давлении можно получить результаты, не уступающие по многим параметрам нанотехнологии в глубоком вакууме,

Рис. 1.3. Изображения пиролитического графита, полученные в режиме: а — Z = const и б — I = const

если соответствующим образом подобрать технологические носители (среды) ультравысокой чистоты.

Из рассмотрения кинетики сорбции примесей в различных внешних условиях следует, что поверхности практически все­гда «закрыты» летучими примесями и остаточными газами. В связи с этим естественно выбрать для «закрытия» поверхно­стей летучую примесь заданного состава, сорбцией которой в определенной мере можно управлять с помощью изменения температуры поверхности подложек или десорбции в элект­рическом поле, при которых поверхности очистятся и будут иметь приемлемую чистоту. Следует заметить, что примене­ние защитного газа при избыточном давлении по сравнению с атмосферным является не менее перспективным, чем ваку- умирование для поддержания приемлемой чистоты поверх­ностей. С этой точки зрения применение и развитие атмо­сферной технологии имеют хорошую перспективу.

Области применения СТМ. СТМ применяется для уни­кальных исследований поверхности твердых тел, которые позволяют определять их микротопологию с атомным разре­шением, не достижимым в лучших электронных микроско­пах. К преимуществам исследования топографии поверх­ности с помощью СТМ можно отнести его неразрушающий характер, обусловленный отсутствием механического кон­такта и низкой энергией электронов туннельного зонда; возможность работы в широком диапазоне температур не только в вакууме, но и при обычных атмосферных условиях и в диэлектрических жидкостях; получение трехмерного изображения рельефа. Высокая скорость формирования изображения поверхности с атомным разрешением позволя­ет использовать СТМ-методы в динамическом режиме для непосредственного (in situ) наблюдения процессов кристал­лизации, адсорбции и диффузии, травления, химических реакций на атомном уровне.

Если рассматривать СТМ как инструмент, способный за­регистрировать геометрический рельеф поверхности с атом­ным разрешением, то становится очевидным, что с его по­мощью можно и считывать информацию, поверхностная плотность которой на много порядков может превышать плотность записи любым доступным в настоящее время способом. Анализ физических принципов работы СТМ показы­вает, что можно выбрать режимы его работы, при которых зонд, считывающий информацию, практически не искажает ее, т. е. чтение может быть произведено многократно, а счи­тываемая последовательно информация будет идентична. Условия взаимодействия зонда с поверхностью можно из­менить так, что произойдет локальная модификация поверх­ности, т. е. осуществится запись информации. Запись может быть выполнена с атомным разрешением. Таким образом, с помощью СТМ можно не только исследовать поверхность образца, но и считывать и записывать информацию. СТМ применяется также в нанолитографии и в других областях нанотехнологии.

Использование в работе СТМ эффекта туннелирования электронов определяет требование к материалам острия и ис­следуемой поверхности, ограничивая их металлами и полу­проводниками. Наличие непроводящих примесей и включе­ний на исследуемой поверхности приводит к выходу прибора из строя: острие, приближаясь к поверхности до появления тока, втыкается в это включение и разрушается. Использо­вание сенсорных устройств, основанных на других физиче­ских принципах, позволяет расширить область применения микроскопов ближнего поля и круг материалов, используе­мых для изготовления зонда.