Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)

1.

Сканирующая туннельная
микроскопия (СТМ)
Лекция 2
Серцова А.А.

2.

СТМ
Исторически первым в семействе зондовых микроскопов появился
сканирующий туннельный микроскоп.
Создателями Сканирующей Зондовой Микроскопии являются Герд Биннинг и
Генрих Рорер – сотрудники Исследовательского отдела фирмы IBM,
Цюрихская научная лаборатория, Рюмликон, Швейцария.

3.

Введение
Тунне́льный эффект - преодоление микрочастицей потенциального
барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при
туннелировании неизменной) меньше высоты барьера.

4.

Зависимость тока от
расстояния
Туннельная проводимость экспоненциально
уменьшается с увеличением расстояния
между
поверхностями.
В
вакууме
проводимость уменьшается примерно в 10
раз при увеличении расстояния на 1 Å.
Когда один из электродов имеет форму острия, ток протекает практически только
между крайними атомами острия и поверхностью, в идеальном случае – между
определенной орбиталью атома на вершине острия и образцом. Это обеспечивает
малую ширину канала, по которому протекает ток и, таким образом, хорошее
поперечное разрешение (порядка атомных размеров).
Второе острие, показанное на рисунке, отодвинуто от поверхности на расстояние,
примерно соответствующее двум атомам. Сквозь него протекает в миллион раз
более слабый ток.

5.

Зависимость тока от
расстояния

6.

Зонды
При правильной подготовке зонда
на его кончике с большой
вероятностью находится либо
одиночный выступающий атом,
либо небольшой кластер атомов,
который
локализует
его
на
размерах, много меньших, чем
характерный радиус кривизны
острия.
СТ
М
АС

7.

Изготовление зондов для СТМ
Метод электрохимического травления
Установки для травления зондов
Модель четырехступенчатой
структуры зонда
1 - кольцо;
2 - микрометрический винт;
3 - подсветка;
4 - основание;
5 - видеокамера;
6 - держатель зонда.
Схема

8.

Изготовление зондов для СТМ
Схема изготовления СТМ зонда методом ступенчатого травления:
а – погружение вольфрамовой заготовки зонда; б, в, г, и д – травление
1-й, 2-й, 3-й и 4-й ступеней, соответственно; е – падение отрывающейся
части заготовки, травление завершено
а
б
в
г
д
е
Метод ступенчатой вытяжки зонда

9.

Изготовление зондов для СТМ

10.

Изготовление зондов для СТМ
Перерезание тонкой проволоки из PtIr сплава с помощью ножниц.
При перерезании происходит пластическая деформация проволоки в месте
резки и обрыв под действием растягивающего усилия Р. В результате в месте
разреза формируется вытянутое острие с неровным (рваным) краем с
многочисленными выступами, один из которых и оказывается рабочим
элементом СТМ зонда.

11.

Конструкция СТМ
1 – основание; 2 –
трубчатый
трехкоординатный
пьезосканер; 3 –
термокомпенсирующая
пьезотрубка, служащая
рабочим элементом
шагового пьезодвигателя;
4 – металлический зонд;
5 – образец; 6 –
цилиндрический
держатель образца
Наиболее важное требование для СТМ - высокая помехозащищенность. Это
обусловлено большой чувствительностью туннельного промежутка к внешним
вибрациям, перепадам температуры, электрическим и акустическим помехам.

12.

Формирование СТМ
изображения
По методу постоянного
туннельного тока
По методу постоянной
высоты

13.

Методики СТМ
Метод постоянного туннельного тока
Метод Постоянного Тока предполагает поддержание в процессе
сканирования постоянной величины туннельного тока с помощью системы
обратной связи. При этом вертикальное смещение сканера (сигнал
обратной связи) отражает рельеф поверхности
Метод постоянной высоты
При использовании Метода Постоянной Высоты сканер СТМ перемещает
зонд только в плоскости, так что изменения тока между острием зонда и
поверхностью образца отражают рельеф поверхности. Поскольку по этому
методу нет необходимости отслеживать зондом расстояние до поверхности
образца, скорости сканирования могут быть более высокими. Поэтому
данный метод может быть применен к образцам с очень
ровной
поверхностью, поскольку неоднородности поверхности выше 5-10 А будут
приводить к разрушению кончика зонда

14.

Методики СТМ
СТМ позволяет получать информацию о пространственном распределении
микроскопической работы выхода поверхности
Туннельный ток экспоненциально затухает с расстоянием зонд-образец как
I ~ exp(-2kz)
При отображении локальной высоты барьера измеряем чувствительность
туннельного тока к вариациям расстояния зонд-образец в каждом пикселе
СТМ изображения. Получаем видимую высоту барьера U, определяемой
выражением:
U= 0,95(1/I)2(dI/dz)2
Эта величина U обычно сравнивается со средней работой выхода Uav =
(Us + Ut )/2, где Ut и Us являются работами выхода материала зонда и
образца соответственно. Известно, величина U близка к локальному
поверхностному потенциалу (локальной работе выхода) и является
хорошей мерой его.

15.

Методики СТМ
Измеряемый в СТМ ток определяется процессами туннелирования
через зазор зонд-поверхность образца его величина зависит не только
от высоты барьера но также и от плотности электронных
состояний.
Соответственно получаемые в СТМ изображения
являются не просто изображениями рельефа поверхности образца, на
эти изображения может сильно влиять распределение плотности
электронных состояний по поверхности образца.
Пример ВОПГ – видно
каждый второй атом

16.

Методики СТМ
С помощью СТМ можно снимать вольт-амперные характеристики (ВАХ)
туннельного контакта в различных точках поверхности, что позволяет судить о
локальной проводимости образца и изучать особенности локальной плотности
состояний в энергетическом спектре электронов.

17.

Методики СТМ
ВАХ –металл/металл
ВАХ – метал/полупроводник

18.

Примеры применения
ВОПГ – высокоориентированный пирографит

19.

Примеры применения
Пленка ЛБ

20.

Примеры применений
Массив наноостровков Si, полученных напылением пяти
моноатомных слоев Si на поверхность Si(100), покрытую
тонким слоем SiO2

21.

Примеры применения
Упорядоченный массив магических нанокластеров In
на поверхности Si(100)

22.

Примеры применения
Упорядоченный массив
магических кластеров Al,
полученный на поверхности
Si(111) в результате
самоорганизации осажденных
атомов Al
Каждый кластер состоит из
шести атомов Al (желтые
кружки) и трех атомов Si
(голубые кружки)

23.

Примеры применения
Самоорганизация упорядоченного массива наноструктур
при осаждении атомов Ве на поверхность Si(111)

24.

Примеры применений
Магические кластеры Si6In6 на поверхности Si(100)

25.

Примеры применения
Изображения массива молекулярных роторов (фталоцианина цинка )
на подложке из золота, полученные с помощью сканирующего
туннельного микроскопа

26.

Примеры применений
Изображение пластины графена

27.

Примеры применения
Подложка из золота
Со на Au
Co, Cu на Au

28.

Примеры применения
Au(111) в растворе сульфата меди