I0 и V0 – туннельный ток и напряжение, определяющие расстояние
между зондом и поверхностью и остающиеся постоянными при сканировании всего образца в режиме постоянного тока обратной связи. Используя интегральное уравнение (5.10), из измеренных методом СТС туннельных ВАХ можно получить зависимость ло-
кальной плотности состояний образца от координаты ρs (ε, r ) с
точностью до некоторой величины А, в свою очередь также являющейся функцией r . Поэтому определение туннельной плотности состояний напрямую из эксперимента оказывается невозможно. Однако в том случае, когда плотность электронных состояний вычислена в рамках определенной модели, то выражение (5.10) позволяет определить параметры модели изGсравнения эксперименталь-
ных и расчетных значений dI / dV V =0 (r ) .
Метод СТМ также может использоваться для определения локальной работы выхода поверхности образца. Действительно, рабо-
та выхода образца ϕs определяет высоту потенциального барьера и
входит в выражение для постоянной затухания в вероятности туннелирования. Определить ее значение можно, если измерить экспериментальную зависимость туннельного тока I при некотором фиксированном напряжении V от расстояния между зондом и образцом
d при известном значении работы выхода материала зонда ϕt . Тогда наклон графика I (d) , построенного в двойном логарифмиче-
ском масштабе, будет пропорционален квадратному корню от работы выхода:
d ln I |
= − |
2 m(ϕs +ϕt + eV ) |
. |
(5.11) |
|
dd |
= |
||||
|
|
|
Примеры использования метода СТМ для исследования наноструктур и поверхности твердого тела приведены в разделе 5.5.
5.3. Аппаратура для СТМ
Схема сканирующего туннельного микроскопа представлена на рис.5.14 Зонд микроскопа укрепляется на держателе, размещенном на пьезокерамическом сканере, обеспечивающем перемещение зон-
203
да в трех направлениях. Напряжение Vx и Vy , подаваемое на пье-
зокристаллы, управляет сканированием зонда в плоскости поверхности образца, а напряжение Vz , подаваемое на выходе цепи об-
ратной связи и определяемое туннельным током и коэффициентом обратной связи, задает перемещение зонда в перпендикулярном к поверхности направлении.
Рис. 5.14. Схематическое устройство сканирующего туннельного микроскопа 53) и общий вид СВВ системы Omicron AFM/STM LF1 в Научно-образовательном центре “Физика твердотельных наноструктур» Нижегородского государственного университета
Один из вариантов устройства системы сканирования, основанной на использовании трубчатого прьезопривода, представлен на рис.5.15. В данной схеме зонд крепится на основание пьезокерамической трубки, на внешнюю и внутреннюю поверхности которой напылены металлические электроды. Внутренний электрод является сплошным, в то время как внешний разделен на четыре симметричных относительно оси трубки части. Пьезокерамика обладает свойством расширения или сжатия под действием прикладываемого к ней напряжения. Сканирование в плоскости (x,y) осуществляется отклонением пьезокерамической трубки при подаче разноименного напряжения на противоположные части внешнего электрода, а перемещение зонда по оси z – сжатием или растяжением трубки вдоль ее оси при подаче одинакового напряжения на все четыре внешних электрода относительно внутреннего электрода.
53) S.F. Alvarado // Surface Review and Letters, 2 (1995) p.607.
204
Рис.5.15. Схематическое изображение трубчатого пьезокерамического сканера СТМ. На внешнюю и внутреннюю стороны пьезокерамической трубки нанесены металлические электроды. Внешний электрод разделен на четыре равные части вдоль трубки. Прикладывая одинаковое напряжение на все четыре внешних электрода относительно внутреннего электрода, за счет пьезоэффекта можно изменять длину пьезокерамической трубки. Прикладывая различное по знаку напряжение (+V и –V) к противоположным частям внешнего электрода, можно заставить трубку изгибаться в ту или иную сторону за счет сжатия одной ее стороны и растяжения другой в зависимости от знака прикладываемого напряжения 54)
Устройство сканирования СТМ должно удовлетворять следующим требованиям:
1)диапазон сканирования в плоскости (x,y) ~1 мкм с точностью задания перемещения ~0.1 Å;
2)диапазон сканирования в направлении z ~1 мкм с точностью
~0.01 Å;
3)возможность грубого наведения зонда с точностью ~0.1 мкм;
4)высокая механическая резонансная частота и низкая добротность узлов системы сканирования и держателя образца для уменьшения шумов.
В качестве пьезокерамики в СТМ используют цирконат. К наиболее существенным недостаткам пьезокерамической системы сканирования является наличие гистерезиса при прямом и обратном проходе сканирования, а также тепловой дрейф.
54) J.A. Kubby, J.J. Boland // Surf.Sci. Rep. 26 (1996) p.61.
205
Отметим также, что сканирование может проводиться как зондом микроскопа при неподвижном образце, так и укрепленном на пьезосканере образце при неподвижном зонде.
Материалом зондов СТМ обычно служит проволока из платины или платиноиридиевого сплава с диаметром ~0.5 мм. Использование более тонкой проволоки приводит к уменьшению ее жесткости
ирезонансной частоты, что повышает шумы и ухудшает разрешение прибора. Нанометровый радиус закругления острия проволоки обычно достигается ее откусыванием обычными ножницами при одновременном растяжении вдоль проволоки. Помимо этого, используется электрохимическое травление зонда при его медленном вытаскивании из раствора электролита.
Необходимой частью любого сканирующего зондового микроскопа также является система виброизоляции, обеспечивающая уменьшение колебаний образца относительно иглы. В вакуумных микроскопах система виброизоляции построена на схеме электромагнитной подвески, в которой модуль сканирования, включающий укрепленный образец и зонд, оказывается практически полностью механически изолированным от остальных частей прибора (за исключением контактных проводов). Сама платформа микроскопа обычно также имеет пневматическую систему виброизоляции. Также рекомендуется установка самого прибора на отдельный фундамент, изолированный от пола лаборатории.
Ввоздушных микроскопах используется более простая система виброизоляции, которая может включать демпфирующие подушки
имеханические пружинные подвески, настроенные на подавление определенных частот.
При исследовании поверхности образца с атомным разрешением, а в особенности при измерении туннельных ВАХ и локальной работы выхода ключевым аспектом является поддержание чистоты поверхности образца, поскольку любые адсорбированные на поверхности атомы изменяют ее локальные электронные характеристики. Это заставляет с особой тщательностью контролировать состояние поверхности и с определенной осторожностью подходить к интерпретации полученных зависимостей.
206