30 Скануючий тунельний мікроскоп

Перший скануючий тунельний мікроскоп (СТМ) було сконструйовано у 1979 році в лабораторії IBM (Цюрих, Швейцарія). Конструктори даного приладу: Бінінг та Рорер за цей винахід та результати дослідження поверхні кремнію на атомарному рівні (1982 рік) у 1986 році отримали Нобелівську премію.

СТМ має роздільну здатність до декількох сотих ангстрема по нормалі до поверхні зразка та декілька ангстрем вздовж поверхні. Поле зору більшості мікроскопів складає долі мікрон. За допомогою приладів даного типу можна проводити дослідження об’єктів, що знаходяться у вакуумі, на повітрі та в рідині. Більшість СТМ працює при кімнатній температурі, хоча існують прилади, на яких можна проводити дослідження при гелієвих температурах, або при температурах до 1000С.

Сьогодні СТМ отримав досить широке використання для:

• вивчення поверхні матеріалів на атомному рівні;

• дослідження з нанометрічною роздільною здатністю шорсткості поверхні;

• дослідження та виготовлення нано- і мікроелектронних приладів (нанотехнології);

• вивчення макромолекул, вірусів та інших біологічних структур.

Принцип роботи СТМ можна зрозуміти скориставшись рис. 4.7. Розглянемо ідеально плоский зразок з провідника, до поверхні якого підведена металева голка, що закінчується одним атомом. Відстань між голкою та поверхнею (Z) складає 3 Å (характерна міжатомна відстань).

Рисунок 4.7 – До пояснення тунельного ефекту: 1 - голка; 2 - електропровідний зразок; 3 - джерело напруги; 4 - гальванометр Якщо між голкою та зразком прикласти різницю потенціалів UТ від 0,1 до 1 В, то в електрич ному колі з’явиться струм, обумовлений тунельним ефектом. Ймовірність тунелювання електрона описується співвідношенням:

, (4.1)

де ћ – стала Дірака; m – маса електрона провідності; A – робота виходу електрона.

Тунельний струм i_Т при цьому буде:

, (4.2)

де S – площа тунельного контакту; ρ – густина електронів провідності.

Враховуючи, що тунельний струм протікає лише через кінець голки, що не зовсім вірно, площа тунельного контакту складає 10^-20 м². При густині електронів провідності ρ ≈ 10^-18 м^-3/В та швидкості 10^-10м/с оцінка за співвідношенням (4.2) показує [3], що при зазначених параметрах голки величина струму складає від 1 до 10 нА.

Аналізуючи наведені вище співвідношення можна зробити висновок про те, що струм зменшується за експонентою приблизно на порядок на кожний ангстрем відстані між голкою та поверхнею зразка. Таким чином, при дослідженнях зразка необхідно підвести голку на відстань протікання тунельного струму, закріпити її на п’єзоелементі, що може змінювати свої лінійні розміри під дією керуючої напруги. Проводячи сканування, необхідно підтримувати тунельний струм постійним за допомогою системи зворотнього зв’язку. Режим роботи мікроскопу при вказаних вимогах отримав назву режиму постійного тунельного струму. Тут інформація про топологію поверхні зразка подається у вигляді залежності U_Т(x, y) (x, y – координати на поверхні), якщо електронні властивості поверхні (робота виходу) однорідні. Якщо зразок на поверхні має острівці оксиду та сорбовані шари, що не проводять електричного струму, то це призводить до появи на зображенні впадин з вертикальними стінками. Наявність впадин обумовлена великою роботою виходу діелектричних матеріалів порівняно з провідниками та напівпровідниками. Якщо неоднорідності будуть з провідників з меншою роботою виходу, то на зображенні буде спостерігатися виступ. Якщо зразок є неоднорідним провідником, то має місце зміна роботи виходу у точці поверхні.

Блок-схема СТМ, що працює в режимі постійного тунельного струму, наведено на рис. 4.8.

П’єзодвигуни виготовляються з п’єзокераміки, яка забезпечує коефіцієнт перетворення електричної енергії у механічну на 40%. Двигуни X та Y здійснюють переміщення голки поперек поверхні.

Напруги для сканування по поверхні (Ux та Uy) подаються від схеми розгортки (6). Двигун Z забезпечує відстань між голкою та зразком на рівні, що підтримує постійний тунельний струм. Напруга Uz на даний п’єзоелемент подається від схеми (7).

Рисунок 4.8 – Спрощена блок-схема СТМ [3]: 1 - зразок; 2 - голка; 3 - п’єзосканер; 4 - блок реєстрації; 5 - комп'ютер; 6 - схема керування двигуном X, Y; 7 - схема керування двигуном Z Зразок (1) кріпиться до платформи, з’єднаної з кроковим двигуном, який забезпечує підведення зразка до голки (2) з точністю до 0,1 мкм. Голка, у більшості випадків, виготовляється з монокристалу вольфраму, причому вісь голки направлено вздовж напряму [111]. Кінчик голки має вигляд піраміди, що закінчується одним або трьома атомами. Голка кріпиться до п’єзосканера (3), який складається з трьох п’єзодвигунів.

Напруга U_Т та реєстрація тунельного струму подається та здійснюється за допомогою блоку реєстрації (4). Керування мікроскопом в цілому проводиться за допомогою комп’ютера (5). Він здійснює також обробку результатів досліджень та видає на дисплей і принтер картину зображення.

Конструктивні особливості СТМ визначаються, виходячи з задачі досліджень. Наприклад, мікроскоп може входити в комбінований прилад. Тоді його конструктивні особливості повинні забезпечувати роботу паралельно із базовим приладом. На конструкцію впливає також середовище, в якому проводяться дослідження та температура зразка. У залежності від мети використання приладу залежить і розмір мікроскопа. Наприклад, в літературі описуються прилади, лінійні розміри яких складають 10-20 см [6].

СТМ представляє собою незамінний інструмент для дослідження мікротопології поверхні твердого тіла. На рисунку 4.9, як ілюстрація, представлено зображення топології поверхні монокристалу кремнію, яка має яскраво виражені виступи.

Цікавим та перспективним є застосування СТМ для вивчення поверхні на атомарному рівні як неорганічних, так і органічних речовин. Для цього об’єкт досліджень повинен знаходитись у вакуумі, а голка закінчуватись одним атомом. На рисунку 4.10 наведено знімок поверхні з атомною роздільною здатністю кристалу пірографіту.