- •6 Семестр 2006 г.
- •Введение.
- •Основы взаимодействия электромагнитных волн и пучков частиц с веществом а. Энергетические спектры атомов и молекул
- •1. Квантование энергии частиц.
- •2. Энергетический спектр атома.
- •3. Эффект Зеемана и эффект Штарка.
- •4. Спектральный анализ.
- •5. Энергия и спектры молекул.
- •6. Рассеяние света атомами, молекулами и конденсированными средами.
- •Б. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом.
- •1. Электромагнитные волны в веществе.
- •2. Поведение электромагнитных волн на границе раздела двух сред.
- •3. Спонтанное и вынужденное излучение света. Коэффициенты Эйнштейна.
- •4. Физические основы работы лазера и основные свойства лазерного излучения.
- •5. Понятие о нелинейных оптических процессах.
- •В. Взаимодействие рентгеновского излучения и пучков частиц с веществом.
- •1. Тормозное излучение.
- •2. Рентгеновское излучение. Рентгеновская трубка.
- •3. Рентгеновский структурный анализ вещества. Эффект Оже.
- •4. Волновые свойства микрочастиц. Длина волны де Бройля.
- •5. Электронная микроскопия и нейтронография.
- •Квантовая метрология.
- •1. Теоретические основы квантовой метрологии.
- •1. Стабильность элементарных частиц и независимость от времени фундаментальных
- •2. Соотношение Гейзенберга.
- •3. Измерения в квантовой механике.
- •2. Резонансные методы исследования вещества.
- •1. Диамагнитный резонанс.
- •2. Циклотронный резонанс.
- •3. Электронный парамагнитный резонанс.
- •4. Ядерный магнитный резонанс.
- •5. Эффект Мессбауэра.
- •3. Макроскопические квантовые эффекты в твердом теле.
- •1. Туннельный эффект.
- •2. Туннельные диоды. Автоэлектронная эмиссия. Пробой Зинера.
- •3. Сканирующий туннельный микроскоп. Зондовая микроскопия.
- •4. Размерные квантовые эффекты.
- •5. Квантовый эффект Холла.
- •4. Сверхпроводимость.
- •1. Явление сверхпроводимости.
- •2. Магнитные эффекты в сверхпроводниках.
- •3. Эффекты Джозефсона.
- •4. Сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор (сквид).
3. Сканирующий туннельный микроскоп. Зондовая микроскопия.
Автоэлектронная эмиссия возможна не только со всей поверхности образца, но и из отдельного атома, находящегося на поверхности. При этом высокая напряженность электрического поля, необходимая для возбуждения автоэлектронной эмиссии, создается между поверхностью в точке расположения изучаемого атома и острой иглой, подведенной к этой точке. Поля, необходимые для эффективного туннелирования, достигают значений 106 В/см, но используемое напряжение составляет всего 2 – 3 вольта. Это объясняется использованием очень малых расстояний между кончиком иглы и исследуемой поверхностью. Иглу можно смещать вдоль поверхности с помощью координатного столика, обеспечивающего прецизионное перемещение. Устройство такого типа получило название сканирующий туннельный микроскоп.
Величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между конкретным атомом и иглой. Поэтому сканирующий микроскоп очень избирателен и может обнаруживать отдельные атомы. Для этого необходима очень острая игла. Раньше иглы делали, медленно растягивая (до разрыва) тонкую вольфрамовую проволоку. В настоящее время в качестве иглы или щупа используют углеродные нанотрубки. Работает туннельный микроскоп только с хорошими проводниками. При этом существует ограничение на профили, которые регистрирует микроскоп: например, канавки на поверхности должна иметь ширину, превосходящую её глубину – иначе возникают паразитические сигналы от атомов, расположенных на боковой поверхности канавки. В процессе изучения поверхности образца иглу медленно передвигают с помощью устройств, обеспечивающих хорошее позиционирование. Однако воспроизводимость результатов сканирования очень сильно зависит от состояния поверхности. Для качественных измерений нужно помещать образец и иглу в высокий вакуум, причем до измерений требуется провести предварительную очистку поверхности от различных загрязнений (в том числе от отдельных атомов примесей и кластеров – групп примесей, а также от адсорбированной воды). Более того, наличие сильного электрического поля может вызвать поверхностную диффузию и дрейф примесей вслед за движущейся иглой. Известно, что перемещение иглы сопровождается смещением хвоста из налипшей «грязи». Одновременное освещение поверхности лазерным излучением, по-видимому, облегчает движение примесных атомов. Возникает эффект фотостимулированной миграции примесей, что позволяет (опять таки, в принципе) заданным образом перемещать отдельные атомы примесей по поверхности.
Очень похожее устройство имеет сканирующий атомно-силовой микроскоп. В нем не используется туннельный эффект и микроскоп не требует приложения к игле электрического напряжения (а значит такой микроскоп пригоден и для работы с диэлектриками). Острие иглы, приближаясь к поверхности, начинает испытывать молекулярно-атомные силы, вызывающие отклонение иглы. Эти отклонения возникают даже на масштабах одного атома. Отклонения регистрируются либо емкостным методом (смещение связанной с иглой пластины конденсатора), либо различными электронно-оптическими системами. Имеется много методик такой, зондовой микроскопии, которые позволяют не только изучать топологию поверхности, но и выявлять направленные химические связи, изучать магнитные свойства и т.п.
Физическая природа работы зондовых микроскопов определяется типами химических связей, как в образце, так и между иглой и образцом. В ионных кристаллах это в основном кулоновские взаимодействия, в диэлектрических образцах – спиновые, Ван-дер-ваальсовские взаимодействия или другие типы взаимодействий.