30 Фізичні основи принципу роботи та конструкція скануючого тунельного мікроскопу

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 з метою: вивчення поверхні матеріалів на атомному рівні; дослідження з нанометричною роздільною здатністю шорсткості поверхні; дослідження та виготовлення нано- і нанотехнології; вивчення макромолекул, вірусів та інших біологічних структур.

Розглянемо ідеально плоский зразок з провідника, до поверхні якого підведена металева голка, що закінчується одним атомом. Відстань між голкою та поверхнею (Z) становить 3 Å (характерна міжатомна відстань).

1 - голка; 2 - електропровідний зразок; 3 - джерело напруги; 4 - гальванометр

Якщо між голкою та зразком прикласти різницю потенціалів U_Т від 0,1 до 1 В, то в електричному колі з’явиться струм, обумовлений тунельним ефектом. Імовірність тунелювання електрона:

Тунельний струм

Ураховуючи, що тунельний струм протікає лише через кінець голки, величина струму становить від 1 до 10 нА. Струм зменшується за експонентою приблизно на порядок на кожний ангстрем відстані між голкою та поверхнею зразка. Режим роботи мікроскопа при зазначених вимогах отримав назву режиму постійного тунельного струму. сорбовані шари, що не проводять електричного струму, то це призводить до появи на зображенні западин з вертикальними стінками. Якщо неоднорідності будуть із провідників з меншою роботою виходу, то на зображенні спостерігатиметься виступ.

Блок-схему СТМ, що працює в режимі постійного тунельного струму і складається з трьох п’єзодвигунів, наведено на рис. нижче.

Конструктивні особливості СТМ визначаються, виходячи із задачі досліджень. Наприклад, мікроскоп може входити до комб. приладу.

1 - зразок; 2 - голка; 3 - п’єзосканер; 4 - блок реєстрації; 5 - комп'ютер; 6 - схема керування двигуном X, Y; 7 - схема керування двигуном Z

Тоді його конструктивні особливості повинні забезпечувати роботу паралельно із базовим приладом. На конструкцію впливає також середовище, в якому проводяться дослідження, та температура зразка. Від мети використання приладу залежить і розмір мікроскопа. Наприклад, у літературі описуються прилади, лінійні розміри яких становлять 10-20 см.

СТМ являє собою незамінний інструмент для дослідження мікротопології поверхні твердого тіла. 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.