Троян Физические основы методов исследования наноструктур и поверкхности 2014

Эта особенность позволяет использовать метод СРБИ для исследо-

вания релаксации поверхности, что схематически показано на рис.4.20, а.

Определение расстояния между атомными плоскостями поверхностного слоя основано на эффекте блокировки, когда при определенном угле рассеяния ионы, рассеянные на втором слое атомов, блокируются атомами первого атомного слоя. Таким образом, измерение угловой зависимости спектра рассеянных ионов позволяет определить межплоскостное расстояние.

Данный метод был использован при исследовании релаксации поверхности Ag(111) при различных температурах. Угловые зависимости интенсивности сигнала ионов H+ c энергией 97.5 кэВ, рассеянных на поверхности Ag(111) при температурах Т=420, 820 и 1150 К показаны на рис. 4.20, б. Сдвиг минимума в сторону бóльших углов при увеличении температуры свидетельствует об увеличении расстояния между первым и вторым атомными слоями поверхности. На рис.4.20, в приведены температурные зависимости межплоскостных расстояний, полученные из анализа спектров рассеяния. Видно, что при низких температурах релаксация приводит к сжатию атомных слоев, а при T>700 К происходит их растяжение. При температурах Т~1000 К наблюдается аномально большое увеличение межплоскостного расстояния 42).

181

4.9.Контрольные вопросы к главе 4

1.Каков физический механизм, обеспечивающий высокую чувствительность метода СРМИ?

2.Оцените кинематический фактор при рассеянии ионов He+ на поверхности Ni при угле рассеяния ионов 125 .

3.Каковы механизмы нейтрализации? Оцените вероятность нейтрализации ионов He+ при рассеянии на поверхности Ni, если нор-

мальная составляющая скорости ионов v 2 107 см/с.

4. Проанализируйте выражение для интенсивности спектральной линии рассеянных медленных ионов. Какова должна быть зависи-

мость I (E0 ) , где E0 – энергия первичных ионов He+?

5.Выведите выражение для кинематического фактора k.

6.Прокомментируйте появление двузначности ( ) в зависимости k( , ) .

182

Глава 5. Сканирующая зондовая микроскопия

5.1.Введение

Впредыдущих разделах мы рассматривали спектроскопические методы, позволяющие получать информацию главным образом об элементном и химическом составе наноструктур и поверхностных слоев образца. Второй важнейшей задачей исследования поверхности является определения геометрического расположения атомов относительно друг друга и нижележащих слоев. В эту задачу входит:

-определение симметрии расположения атомов (поверхностной кристаллической решетки);

-определение расположения атомов в элементарной ячейке поверхностной решетки.

Эти задачи решаются микроскопическими и дифракционными методами исследования поверхности, к которым относятся:

-сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ, включая СТМ и АСМ);

-сканирующая (растровая) электронная микроскопия (СЭМ/РЭМ);

-просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ);

-дифракция медленных электронов (ДМЭ).

К методам исследования поверхности и наноструктур, позволяющим анализировать взаимное расположение атомов, можно также отнести спектроскопию околопороговой области края поглощения рентгеновского излучения (XANES).

В данном главе мы будем рассматривать группу методов СЗМ, дающих возможность прямого наблюдения атомов поверхности. Методы СЗМ включают в себя:

-сканирующую туннельную микроскопию (СТМ);

-атомно-силовую микроскопию (АСМ);

183

-электронно-силовую микроскопию (ЭСМ);

-магнитно-силовую микроскопию (МСМ), а также их разновидности.

Основы метода СЗМ были заложены Гердом Биннигом (Gerd Binnig) и Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer) из исследовательской

лаборатории компании IBM в 1981 году, которые по праву считаются первооткрывателями метода СТМ.

Рис.5.1. Генрих Рорер (р.1933) (слева) и Герд Бинниг (р. 1947) (справа), изобретатели сканирующего туннельного микроскопа (Нобелевская премия по физике «за изобретение сканирующе-

го туннелирующего микроско-

па», 1986 г.) 42)

В 1986 г. Бинниг и Рорер разделили половину Нобелевской премии по физике «за изобретение сканирующего туннелирующего микроскопа». Другую половину премии получил Эрнст Руска за работу над электронным микроскопом. Награждая премией Биннига и Рорера, представитель Шведской королевской академии наук заявил: «Очевидно, что эта техника обещает чрезвычайно много и что мы до сих пор были свидетелями лишь начала ее развития. Многие исследовательские группы в различных областях науки пользуются сейчас сканирующим туннелирующим микроскопом. Изучение поверхностей является важной частью физики, особенно необходимой в физике полупроводников и в микроэлектронике. В химии поверхностные реакции тоже играют важную роль, например в катализе. Можно, кроме того, фиксировать органические молекулы на поверхности и изучать их строение. Среди прочих приложений эту технику можно использовать для исследования молекул ДНК». Вспоминая о том, что он чувствовал, узнав о награжде-

42) Фото с сайта: http://www.kfki.hu/~cheminfo/hun/teazo/naptar/binnig.html

184

нии, Бинниг отметил: «Это было прекрасно и ужасно одновременно», поскольку это было признанием большого успеха, но одновременно означало завершение «захватывающего открытия».

Методы СЗМ входят в большую группу микроскопических методов, однако только они позволяют «увидеть» отдельные атомы поверхности твердого тела.

Развитие микроскопических методов берет свое начало в XV веке от изобретения увеличительного стекла. В XVII веке Левенгуком был изобретен первый оптический микроскоп, который позволил установить существование отдельных клеток, микробов и бактерий. Однако сколь совершенными ни были бы оптические микроскопы, они никогда не позволят разрешить отдельные атомные структуры, поскольку длина волны видимого света почти в 2000 раз больше размер атома ( ~ 6000 Å, d ~ 3 Å). Попытка рассмотреть атомы

воптический микроскоп аналогична попытке заметить на теннисном корте трещину толщиной в человеческий волос судя по отскоку теннисного мяча!

Открытие квантовой механики и волновых свойств электрона в 1920-х годах послужило основой создания электронных микроскопов, работающих на принципе дифракции. Электронная микроскопия высокого разрешения позволяет видеть атомные плоскости и ряды, измерять межплоскостное расстояние, однако увидеть отдельно стоящий атом дифракционные методы не позволяют.

Чтобы сравнить характеристики по пространственному разрешению различных микроскопических методов, рассмотрим рис.5.2 Как видно из рисунка, наилучшим разрешением в плоскости обладают методы ПЭМ и СЗМ, однако первый заметно уступает второму по разрешению по высоте. Методы СЗМ дают уникальную возможность получения изображения поверхности с атомным разрешением по всем трем координатам.

Благодаря своим уникальным возможностям после своего изобретения метод СТМ получил бурное развитие, породив целую группу методов СЗМ. Уникальные возможности СЗМ заключаются

вследующем:

185

-нанотехнологии (исследование наноструктур, нанокластеров, фуллеренов, нанотрубок, атомная и молекулярная сборка, манипулирование атомами на поверхности);

-биология и медицина (исследования вирусов, молекул ДНК и их реакции на различные внешние факторы).

В следующих разделах будут рассмотрены физические основы и применение двух методов группы СЗМ – метода сканирующей туннельной микроскопии и метода атомно-силовой микроскопии.

5.2. Физические основы СТМ

Метод СТМ основан на эффекте туннелирования электрона через потенциальный барьер между поверхностью исследуемого образца и зондом микроскопа и позволяет исследовать профиль распределения электронной плотности по поверхности образца.

Рис.5.3. Энергетическая диаграмма туннельного контакта двух проводников с

потенциальным барьером (x) произ-

вольной формы, иллюстрирующая основные характеристики туннельного

контакта: – cредняя высота барьера, d

–ширина части потенциального барьера, находящейся выше уровня Ферми (F.L.), V – напряжение, приложенное к правому электроду, сдвигающее его уровень Ферми вниз относительно уровня Ферми левого электрода 44)

Зонд СТМ представляет собой тонкую проводящую иглу с радиусом закругления острия ~10 нм. Рассмотрим в качестве примера туннелирование электрона через вакуумный зазор между двумя металлами. Пусть d – расстояние между зондом и образцом (ширина

потенциального барьера), а s и t – работа выхода материала образца и зонда соответственно. Тогда средняя высота потенциального барьера может быть записана как ( s t ) / 2 . Энергетиче-

44) J.A. Kubby, J.J. Boland // Surf.Sci. Rep. 26 (1996) p.61.

187

ская диаграмма, иллюстрирующая данные характеристики туннельного барьера, представлена на рис.5.3 Вследствие перекрытия хвостов волновых функций электронов в образце и зонде возможет туннельный эффект, т.е. переход электрона из заполненного состояния одного из проводников в свободное состояние другого.

В том случае, когда образец и зонд электрически соединены друг с другом или заземлены, происходит выравнивание их химических потенциалов (уровней Ферми) и туннельный ток отсутствует, поскольку все состояния ниже уровня Ферми заполнены. Если на один из электродов (образец или зонд) приложить относительно другого потенциал V, тогда его уровень Ферми сместится и станет возможно туннелирование электронов в свободные состояния выше уровня Ферми. Направление туннельного тока между зондом и образцом зависит от знака прикладываемого потенциала. Пусть для определенности зонд остается заземленным, а потенциал подается на образец. Тогда если V 0 , то уровень Ферми образца смещается вниз и происходит туннелирование электронов из заполненных

состояний материала зонда с энергиями от EFt до EFt eV в свободные состояния образца с энергиями от EFs до EFs eV (отсчет

энергии ведется относительно уровня вакуума). В случае V 0 уровень Ферми образца смещается вверх и туннелирование происходит из заполненных состояний образца в свободные состояния зонда. Данные процессы схематически проиллюстрированы на рис.5.4 в виде энергетических диаграмм.

Рассмотрим одномерную задачу о туннелировании свободного электрона с энергией E через прямоугольный потенциальный

барьер высотой V0 и шириной d . Решение уравнения Шредингера для волновой функции электрона (x)

2 d 2 V (x) E 0 2m dx2

188

Рис.5.4. Энергетические диаграммы туннельного контакта между металлическим зондом и образцом: а – не имеющие электрического контакта зонд и образец; б – разделенные туннельным барьером зонд и образец в равновесном состоянии после приведения их в электрический контакт друг с другом; в – на образец относительно зонда подан положительный потенциал, электроны туннелируют из зонда в образец; г – на образец подан отрицательный потенциал, электроны туннелируют

работы выхода материала зонда и образца соответственно. Схематически также показана плотность электронных состояний образца 45)

имеет вид

D и F в выражении (5.2.1) определяются из условия непрерывности волновой функции и ее производной.

В области внутри потенциального барьера (0 x d ) волновая функция электрона экспоненциально затухает с постоянной затухания 1/ . Для электрона на уровне Ферми металла с работой выхо-

45) R.J. Hamers // Annu. Rev. Phys. Chem. 40 (1989) p.531.

189

Схематическое изображение волновой функци электрона при туннелировании через барьер приведено на рис.5.5.

Рис.5.5. Волновая функция электрона с кинетической энергией E , туннели-

рующего через прямоугольный потенциальный барьер высотой V0 и шириной d.

Электрон движется через барьер слева направо. Слева от барьера волновая функция электрона осциллирует. Внутри барьера волновая функция экспоненциально

функция электрона вновь является осциллирующей 45)

Коэффициенты А, В, С, D и F в выражении (5.1) определяются из условия непрерывности волновой функции и ее производной. Для барьера, ширина которого много больше длины затухания

так что вероятность туннелирования электрона через потенциальный барьер экспоненциально зависит от его ширины. Именно эта экспоненциальная зависимость и определяет возможность получения методом СТМ изображения поверхности с атомным разрешением. Действительно, при увеличении ширины барьера (расстояния

между зондом и образцом) на d ~ 1 Å туннельный ток уменьшится в e2 7 раз:

190