19. Сканирующая туннельная микроскопия. Получение атомного разрешения

В сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) основной принцип заложен в измерении тока протекающего между зондом и исследуемым образцом. Зонд находится на некоторой высоте от образца и получающийся зазор можно считать потенциальным барьером. Ток, проходящий через данный барьер, меняется в зависимости от величины зазора. Данный ток измеряется, и по его величине можно судить об расстоянии между зондом и образцом. Таким образом сканируя поверхность и находя значение тока в каждой точке можно построить рельеф поверхности. Данным принцип заложен в измерении по методу постоянной высоты.

Разрешение метода СТМ

Сильная экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния между зондом и образцом, позволяет сканировать отдельные атомы. На рисунке видно, что атом расположенный в первом ряду на острие зонда, находится ближе к поверхности и поэтому его вклад в туннельный ток будет больше, чем от атомов 2 и 3 ряда. При подсчете выясняется, что вклад первого атома больше в 10 раз чем от 2-го атома и в 100 раз чем от 3-го.

Таким образом, почти весь туннельный ток протекает через атом находящийся в первом ряду, что и определяет разрешение данного метода. Возможно достичь атомарного разрешения! Само собой, если зонд будет заточен не остро, то в первом ряду будет находится несколько атомов и разрешение будет хуже.

2 недостатка метода: 1. Исследование диэлектриков затруднено, в связи с тем, что необходимо проводить ток через образец. 2. Помехи, вызванные влиянием на туннельный ток самой структуры образца, а не только величиной зазора.

Химическое и электрохимическое изготовление СТМ зондов берет свое начало от полевой ионной микроскопии, где необходимы игольчатые образцы-эмиттеры с радиусом кривизны острий 10-8-10-7 м. Очень острые иглы получаются путем электрохимического травления тонкой проволоки (диаметром ~ 0,2 мм) в щелочном растворе (1- или 0,5-молярный водный раствор KOH или NaOH) при воздействии переменного напряжения. В качестве материала для второго электрода при этом используется палладий. Травление происходит довольно однородно по всей поверхности погруженной части проволочки, за исключением мениска на поверхности раствора, где травление идет быстрее. В итоге в области мениска образуется шейка, которая все утоньшается и нижняя часть проволочки отваливается. Электронно-микроскопическое изображение кончика иглы, полученной таким способом, показано на рис. 13а. Для получения игл с малым радиусом острия в сочетании с их высокой механической жесткостью была разработана методика, в основе которой лежит метод ступенчатой вытяжки проволочки при электрохимическом травлении (рис.13б)

Рис. 13. Электронно-микроскопическое изображение электрохимически заостренного СТМ зонда.

20. Измерение распределения потенциала и емкости.

Кельвин мода (мода распределения поверхностного потенциала) - регистрируется напряжение U0, необходимое для подавления колебаний кантилевера инициируемых электродинамической силой, на частоте возбуждения, выбираемой для увеличения чувствительности в полосе резонансных колебаний кантилевера.

Бесконтактная емкостная мода (мода распределения подповерхностной емкости) - измеряется электродинамическая сила, инициирующая колебания кантилевера на второй гармонике возбуждающего переменного напряжения; регистрацию контраста можно производить по амплитуде, фазе или амплитудно-фазовым характеристикам.

Разработка и постановка методик измерения локальных электрофизических характеристик сегнетоэлектрических пленок с толщиной менее 100 нм является актуальной прикладной задачей. Для всестороннего исследования таких объектов требуется создание тестовых структур, что не всегда может быть реализовано из-за малой толщины сегнетоэлектрической пленки (5-100 нм). Одним из возможных вариантов исследования электрофизических параметров наноразмерных сегнетоэлектрических пленок является использование сканирующего зондового микроскопа в режиме зонда Кельвина. На примере образца со структурой диэлектрическая подложка (сапфир)/нижний электрод/пленка ЦТС производилось сканирование заданного участка поверхности образца в режиме зонда Кельвина, представляющего собой двухпроходную АСМ методику. На первом проходе снимается топография образца в полуконтактной моде, на втором проходе зонд перемещается на заданном расстоянии от поверхности, повторяя ее рельеф и регистрируя распределение поверхностных потенциалов. В эксперименте варьировались скорость движения зонда, подаваемый потенциал и время воздействия на образец в одной точке. Данная методика представляет практический интерес для локального тестирования наноразмерных элементов и покрытий сегнетоэлектрических материалов в изделиях механотроники и сенсорики.