2. Прицип дії тунельного й атомно-силового мікроскопів

Відомо, що існує ймовірність тунелювання електрона крізь бар’єр, висота якого перевищує енергію електрона. Якщо наблизити один до одного два провідники (електроди), розділені діелектриком (вакуум, газ або рідина), на досить малу відстань s і створити між ними напругу U_t, то в колі потече тунельний струм I_t, пропорційний прикладеній напрузі й експоненціально залежний від відстані між електродами:

де К – константа; V_t. – висота потенційного бар’єра (для s > 2 нм висота бар’єра практично дорівнює роботі виходу електрона); А – коефіцієнт що приблизно дорівнює 10 нм^-1·еВ^-1/2.

Вищеподане рівняння слушне для плоских електродів і низької напруги U_t<<1 В). У реальних експериментах такі умови можна створити не завжди, проте експоненціальна залежність тунельного струму від відстані зберігається.

Розрахунок показує, що для реєстрації тунельного струму, вимірюваного в наноамперах, необхідно наблизити електрод-зонд до досліджуваної поверхні на відстань у декілька ангстремів (для металів U_t ~ 5 еВ, а за U_t ~ 1 В тунельний струм силою 1 нА має місце лише за s ~ 0,6 нм).

Теоретичну концепцію СТМ було запропоновано Г. Біннігом і Г. Рорером у 1979 р., а в 1981 р. було зареєстровано першу чітку залежність тунельного струму від відстані між зразком і вістрям зонда, характерну для тунелювання.

Найпростіший тунельний мікроскоп (рис. 2) складається з п’єзокерамічного сканера 1 (трипод, або секціонована трубка, що змінює свої геометричні розміри за ХΎΖ-напрямами під час подачі електричної напруги на відповідну секцію) з тунельним зондом 2 (гостро заточена голка з вольфраму, платино-іридієвого сплаву, вуглецю або ін.), електронних схем 4 для підтримки напруги і тунельного струму між досліджуваним зразком 3 і зондом та комп’ютерної системи реєстрації й керування 5.

Рис. 2. Блок-схема тунельного мікроскопа

Різні конструкції п’єзосканерів дозволяють переміщати вістря зонда на відстані від часток ангстрема до декількох десятків мікрометрів. Після наближення зонда до поверхні на відстань у декілька ангстремів тунельний струм набуває значень, близьких до 1 нА. Електронна схема дозволяє стабілізувати цю величину зміною напруги на Z-секції п’єзосканера, тобто підніманням або опусканням зонда. Аналогічно працює гальваностат, але в ньому варіюється напруга на електрохімічній комірці для підтримки постійного струму в колі робочого електрода.

Наступним кроком у розвитку сканувальної зондової мікроскопії було створення атомно-силового мікроскопа (АСМ). У СТМ вирішальну роль в отриманні атомарного розділення відіграє експоненціальна залежність тунельного струму від відстані між електродами, для АСМ таке ж значення має різка залежність сили взаємодії тіл від відстані між ними.

Атомно-силова і тунельна мікроскопія інтенсивно розвиваються. Так, створено комплекси, що поєднують у собі СТМ, АСМ, електронний мікроскоп, установки для застосування оптичних методів дослідження поверхні.