12.3.5. Сканирующая зондовая микроскопия.

12.3.5.1. Сканирующая туннельная микроскопия.

Все ранее рассмотренные методы исследования поверхности и нано-структурированных частиц на поверхности были основаны на рассеянии час-тиц или квантов. При анализе волн зачастую терялась информация о фазе, что влияло на точность измерений. В 1978 году Г. Бинниг и Г. Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп.

Сканирующий туннельный микроскоп представляет собой прибор для изучения поверхности твердых тел, основанный на сканировании острием, находящимся под потенциалом, поверхности образца на расстоя-нии до 10 Ǻ и одновременном измерении туннельного тока между острием и образцом.

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) заключается в измерении электронного тока за счет квантово-механического туннелирования электронов. С этой целью используется проводящий зонд, который подводится к исследуемой поверхности на расстояние возникно-вения туннельного тока. Такую операцию можно осуществить с помощью пьезодвигателя, изменяющего свои размеры под действием управляющего напряжения.

Сканирующие элементы (сканеры) зондовых микроскопов. Для работы зондовых микроскопов необходимо контролировать рабочее расстояние зонд-образец и осуществлять перемещения зонда в плоскости образца с высокой точностью (на уровне долей ангстрема). Эта задача решается с помощью специальных манипуляторов – сканирующих элементов (сканеров). Сканирующие элементы зондовых микроскопов изготавливаются из пьезо-электриков – материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Пьезоэлектрики изменяют свои размеры во внешнем электрическом поле. Уравнение обратного пьезоэффекта для кристаллов записывается в виде:

, (12.3.12)

где u_ij – тензор деформаций, Е_k – компоненты электрического поля, d_ijk – компоненты тензора пьезоэлектрических коэффициентов. Вид тензора пьезоэлектрических коэффициентов определяется типом симметрии кристаллов.

В различных технических приложениях широкое распространение получили преобразователи из пьезокерамических материалов. Пьезоке-рамика представляет собой поляризованный поликристаллический материал, получаемый методами спекания порошков из кристаллических сегнетоэлект-риков. Поляризация керамики производится следующим образом. Керамику нагревают выше температуры Кюри (для большинства пьезокерамик эта температура менее 300°С), а затем медленно охлаждают в сильном (порядка 3 кВ/см) электрическом поле. После остывания пьезокерамика имеет наве-денную поляризацию и приобретает способность изменять свои размеры (увеличивать или уменьшать в зависимости от взаимного направления вектора поляризации и вектора внешнего электрического поля). Характерис-тики используемых в технике керамических материалов можно найти в справочниках. Пьезокерамики представляют собой пьезоэлектрические текс-туры. Вид тензора пьезоэлектрических констант для пьезокерамик сущест-венно упрощается – отличными от нуля являются только три коэффициента d₃₃, d₃₁, d₁₅ , характеризующие продольные, поперечные (по отношению к вектору поляризации) и сдвиговые деформации.

Рассмотрим плоскую пластину из пьзокерамики (рис. 12.3.17) во внешнем поле. Пусть вектор поляризации и вектор электрического поля направлены вдоль оси X. Тогда, обозначая и получаем, что деформации пьезокерамики в направлении, параллельном полю, равна , а в перпендикулярном полю направлении .

В сканирующей зондовой микроскопии широкое распространение получили трубчатые пьзоэлементы (рис. 12.3.18). Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при относительно небольших управляющих напряжениях. Трубчатые пьезоэлементы представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезокерамических материалов.

О бычно электроды в виде тонких слоев металла наносятся на внешнюю и внутреннюю поверхности трубки, а торцы трубки остаются непокрытыми.

Под действием разности потенциалов между внутренним и внешним электродами трубка изменяет свои продольные размеры. В этом случае продольная деформация под действием радиального электрического поля может быть записана в виде:

, (12.3.13)

где l₀  –  длина трубки в недеформированном состоянии. Абсолютное удлине-ние пьезотрубки равно

,

где h  –  толщина стенки пьезотрубки, U –  разность потенциалов между внутренним и внешним электродами.

Таким образом, при одном и том же напряжении U удлинение трубки будет тем , больше, чем больше ее длина и чем меньше толщина ее стенки.

Соединение трех трубок в один узел (рис. 12.3.19) позволяет органи-зовать прецизионные перемещения зонда микроскопа в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Такой сканирующий элемент называется триподом.

Недостатками такого сканера являются сложность изготовления и сильная асимметрия конструкции. На сегодняшний день в сканирующей зондовой микроскопии наиболее широко используются сканеры, изготов-ленные на основе одного трубчатого элемента. Общий вид трубчатого скане-ра и схема расположения электродов представлены на рис. 12.3.20. Материал трубки имеет радиальное направление вектора поляризации.

В нутренний электрод обычно сплошной. Внешний электрод сканера разделен по образующим цилиндра на четыре секции. При подаче противо-фазных напряжений на противоположные секции внешнего электрода (относительно внутреннего) происходит сокращение участка трубки в том месте, где направление поля совпадает с направлением поляризации, и удлинение там, где они направлены в противоположные стороны. Это приводит к изгибу трубки в соответствующем направлении. Таким образом, осуществляется сканирование в плоскости X,Y. Изменение потенциала внутреннего электрода относительно всех внешних секций приводит к удлинению или сокращению трубки по оси Z. Таким образом, можно реализовать трехкоординатный сканер на базе одной пьезотрубки. Реальные сканирующие элементы имеют часто более сложную конструкцию, однако принципы их работы остаются теми же самыми.

Широкое распространение получили также сканеры на основе биморфных пьзоэлементов. Биморф представляет собой две пластины пьезоэлектрика, склеенные между собой таким образом, что вектора поляризации в каждой из них направлены в противоположные стороны (рис. 12.3.21). Если подать напряжение на электроды биморфа, как показано на рис. 12.3.21, то одна из пластин будет расширяться, а другая сжиматься, что приведет к изгибу всего элемента. В реальных конструкциях биморфных элементов создается разность потенциалов между внутренним общим и внешними электродами так, чтобы в одном элементе поле совпадало с направлением вектора поляризации, а в другом было направлено противо-положно.

И згиб биморфа под действием электрических полей положен В основу работы биморфных пьезосканеров. Объединяя три биморфных элемента в одной конструкции, можно реализовать трипод на диморфных элементах (рис. 12.3.22).

Если внешние электроды биморфного элемента разделить на четыре сектора, то можно организовать движение зонда по оси Z и в плоскости X,Уна одном биморфном элементе (рис. 12.3.23).

Действительно, подавая противофазные напряжения на противополож-ные пары секций внешних электродов, можно изгибать биморф так, что зонд будет двигаться в плоскости X, Y (рис. 12.3.23,а, б). A изменяя потенциал внутреннего электрода относительно всех секций внешних электродов, мож-но прогибать биморф, перемещая зонд в направлении Z (рис. 12.3.23,в, г).

Р ассмотрим рис.12.3.24. При приложении напряжения U_S на промежутке острие — образец возникает туннельный ток, который поддер-живается постоянным за счет цепи обратной связи. Одновременно цепь обратной связи управляет положением острия по координате z с помощью пьезодвигателя P_z. В системе обратной связи формируется разностный сиг-нал, который усиливается и подается на исполнительный элемент.

Н а основе полученного сигнала исполнительный элемент приближает или отодвигает острие от поверхности, нивелируя разностный сигнал. Точность удержания промежутка острие – поверхность может составить 0,01 А. При перемещении острия по координатам x и у система обратной связи отрабатывает изменения разностного сигнала на исполнительных элементах Р_х и Р так, что сигнал оказывается пропорционален рельефу исследуемой поверхности.

Изображение поверхности формируется следующим образом. Острие движется над образцом вдоль, например, оси x. Величина сигнала на исполнительном элементе P_z, пропорциональная рельефу поверхности, записывается в память компьютера. Так получается строчная развертка.

Затем острие возвращается в исходную точку, переходит на сле-дующую строку по координате y, и процесс сканирования повторяется до заполнения кадра строками.

В этом случае говорят о кадровой развертке. Записанный при строчном и кадровом сканировании сигнал обратной связи обрабатывается компьютером, а изображение строится с помощью средств компьютерной графики.

С уществуют два режима формирования изображений поверхности: в режиме постоянного туннельного тока и в режиме постоянного среднего расстояния.

При исследованиях в режиме постоянного туннельного тока (рис. 12.3.25,а) острие перемещается вдоль поверхности. В процессе растрового сканирования изменение напряжения на z-электроде записы-вается в память в виде функции U_z = f(x, у).

Напряжение на z электроде U = f(x, у) с большой точностью повторяет рельеф поверхности и после обработки средствами компьютерной графики адекватно изображает поверхность образца. Полученное изображение пред-ставляет собой физический рельеф, который отражает геометрию поверхнос-ти.

В случае однородного (например, монокристаллического) образца регистрируемый рельеф поверхности максимально приближается к геометрическому.

Режим постоянной высоты удобнее использовать при исследовании гладких поверхностей (рис. 12.3.25,б). В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем. Изображение поверх-ности можно получить путем измерения туннельного тока в процессе скани-рования поверхности и его компьютерной обработки. Этот режим позволяет реализовать высокие скорости сканирования и высокую частоту получения изображений, а также позволяет наблюдать за динамикой процессов на поверхности.

Е сли острие заточить так, чтобы на его конце находился одиночный выступающий атом или кластер атомов, размер которого меньше характер-ного радиуса острия, то можно получить пространственное разрешение вплоть до атомного.

Туннелирование может проходит только между теми объектами, волновые функции которых пересекаются. Следовательно, атомное разре-шение возможно получить только в том случае, если на острие иглы сфор-мируется один атом.

На рис. 12.3.26 приведены структуры с атомным разрешением. Ска-нирующий метод туннельной микроскопии предназначен для визуализации атомов в элементарной ячейке. Этим методом можно определять расстояние вдоль поверхности с точностью 0,1 Ǻ, однако, он не позволяет определить расстояние между верхним и низлежащим слоями.

Метод, с одной стороны, дает прямую картину расположения поверхности атомов, а с другой стороны, он не предназначен для полного кристаллографи-ческого описания поверхности.

С развитием метода сканирующей туннельной микроскопии связывают дальнейшие перспективы исследования поверхности.