37. Средства измерений необходимые для нанотехнологий
Большинство средств измерений длины в нанометровом диапазоне, обеспечивающих достижение предельных возможностей измерений, основано на таких физических принципах, как растровая электронная и оптическая микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, лазерная интерферометрия и фазометрия. Ряд приборов, реализующих тот или иной физический принцип, используется в нанотехнологии, а также в качестве инструмента для создания наноструктур.
Основным инструментом для наблюдения и измерений (качественной и количественной оценки) сверхмалых объектов являются микроскопы, использующие различные физические принципы и средства воздействия на объект: световые потоки, электронные и ионные пучки, акустоэлектронные взаимодействия, рентгеновские лучи, туннельные потоки носителей заряда, силовые поля на сверхмалых расстояниях и т.п.
38. Зондовые методы исследования. Туннельный эффект.
Сканирующие зондовые микроскопы включают миниатюрный зонд, контактирующий (как правило без соприкосновения) с исследуемой поверхностью, систему сканирования и программное обеспечение, позволяющее воспроизводить на мониторе результаты исследований.
Характер взаимодействия зонда и образца определяет тип прибора (сканирующий туннельный микроскоп или атомно-силовой микроскоп).
Зонды сканирующих микроскопов представляют собой различные миниатюрные конструкции (заостренный осколок алмаза, нанометровая золотая, железная или вольфрамовая проволока размером десятки нанометров и т.д.).
Сканирование осуществляется при помощи одного или нескольких пьезокерамических манипуляторов.
Туннельный эффект, туннелирование, преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннельном эффекте неизменной) меньше высоты барьера.
Туннельный эффект — явление существенно квантовой природы, невозможное в классической механике; аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение.
Вследствие соотношения неопределённостей фиксация частицы в пространственной области внутри барьера делает неопределённым её импульс. Поэтому имеется отличная от нуля вероятность обнаружить микрочастицу внутри запрещенной, с точки зрения классической механики, области.
Соответственно появляется определённая вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер. Эта вероятность тем больше, чем меньше масса частицы, чем уже потенциальный барьер и чем меньше энергии недостаёт частице, чтобы достичь высоты барьера (то есть чем меньше разность V — E). Вероятность прохождения сквозь барьер представляет собой главный фактор, определяющий физические характеристики туннельного эффекта.
39. Схема действия сканирующего туннельного микроскопа.
Первый туннельный микроскоп был создан в лаборатории фирмы ИБМ Г. Биннигом и Г. Рорером для исследования особенностей и неоднородностей поверхности монокристаллов кремния.
Структурная схема СТМ представлена на рис.
Экспериментатор подводит тончайший золотой щуп (зонд, пробник) на расстояние менее 1 микрона (10-6 м) к поверхности исследуемого образца, в результате чего между зондом и поверхностью возникает электрический ток, обусловленный квантово-механическим туннельным эффектом, величина которого меняется в зависимости от состояния изучаемой поверхности (например, из-за наличия на поверхности впадин или выступов).
Изменяя величину туннельного тока, или, наоборот, сохраняя ее постоянной (за счет регулирования потенциала зонда), экспериментатор может «сканировать» поверхность и получать ее прямое «изображение», подобно тому, как электронный луч создает изображение, сканируя поверхность экрана обычного телевизора.