Все о геологии :: на главную страницу! Геовикипедия 
wiki.web.ru 
Поиск  
   Rambler's Top100 Service
 Главная страница  Конференции: Календарь / Материалы  Каталог ссылок    Словарь       Форумы        В помощь студенту     Последние поступления
   Геология >> Геохимические науки >> Кристаллография | Популярные статьи
 Обсудить в форуме  Добавить новое сообщение

Сканирующая туннельная микроскопия - новый метод изучения поверхности твердых тел

Р. З. Бахтизин (Башкирский государственный университет, Уфа)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 11, 2000 г. 		Содержание

Введение

Физика поверхностных явлений в настоящее время является одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки. Именно на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твердого тела основаны успехи современных микро- и наноэлектроники, гетерогенного катализа, космических технологий и т.п. Поэтому исследование разнообразных электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел, остается актуальной задачей. И заветное желание ученых (и не только ученых) на протяжении многих лет - непосредственное наблюдение за поведением отдельных атомов на поверхности твердого тела и изучение процессов с участием одиночных или небольших групп атомов.

Первостепенное значение для понимания свойств любого объекта имеет знание его атомной структуры, поэтому определение поверхностных структур - один из наиболее важных разделов физики поверхности. Последние 30 лет микроструктура поверхностей твердых тел интенсивно изучалась методами дифракции и рассеяния электронных и ионных пучков, а также электронной спектроскопии. Однако большинство этих методов первоначально разрабатывалось для исследования объемной структуры твердых тел, поэтому они не всегда годятся для получения информации о структуре поверхности, тем более на атомном уровне. Долгое время основным методом исследования структуры поверхностей служил метод дифракции медленных электронов (ДМЭ), с применением которого связан существенный прогресс в развитии науки о поверхности. Достаточно упомянуть, что с помощью ДМЭ была открыта атомная реконструкция поверхностей - существование особого их структурного состояния, отличного от объемного, и обнаружено большое количество специфических фазовых переходов на поверхностях, как чистых, так и покрытых адсорбированными пленками. В методе ДМЭ тонкий коллимированный моноэнергетический пучок электронов низкой (до десятков электронвольт) энергии направляется на поверхность исследуемого кристалла. Так как энергия падающих электронов сравнительно невелика, то они проникают на глубину всего одного-двух атомных слоев, поэтому анализ углового распределения дифракционных рефлексов, образованных рассеянным пучком, дает сведения о расположении атомов в поверхностном слое. Такая информация, однако, методически связана со структурой обратной1 (а не прямой!) решетки и оказывается усредненной по относительно большой площади поверхности кристалла.

Справедливости ради следует отметить, что в настоящее время существуют приборы, позволяющие отображать отдельные атомы: полевой ионный микроскоп и просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения, однако оба они имеют существенные ограничения по применимости, связанные со специфическими требованиями к форме образцов. В первом случае образцы должны иметь форму острых игл из проводящего материала с радиусом закругления не более 1000 $\mbox{\AA}$, а во втором - тонких полосок толщиной менее 1000 $\mbox{\AA}$. Первые изображения атомов были получены с помощью полевого ионного микроскопа, изобретенного Э. Мюллером в 1951 году. В этом приборе игольчатый образец, обычно изготавливаемый из тугоплавкого металла типа вольфрама, располагается в вакуумной камере напротив флуоресцирующего экрана. Камера заполняется инертным газом (гелием или аргоном) до давления 10-4-10-5 торр, и после приложения к острию высокого положительного напряжения вблизи наиболее выступающих участков поверхности происходит полевая ионизация атомов газа за счет туннелирования их электронов в образец. Образовавшиеся ионы ускоряются этим же полем и бомбардируют флуоресцирующий экран, отображая с большим увеличением выступающие участки.

Поэтому изобретение в 1982 году Г. Биннигом и Г. Рорером2 сканирующего туннельного микроскопа, который не накладывает ограничений на размеры образцов, реально открыло двери в новый микроскопический мир.

История создания сканирующего туннельного микроскопа

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно прост, но кардинально отличается от всех предшествующих методик, применявшихся в физике поверхности. Тонкое металлическое острие, смонтированное на электромеханическом приводе (X, Y, Z-позиционере), служит зондом для исследования участков поверхности образца (рис. 1, а). Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние $\leq 10$ \mbox{\AA} , то при приложении между острием и образцом небольшого (от 0,01 до 10 В) напряжения смещения Vs через вакуумный промежуток $\delta_{z}$ начинает протекать туннельный ток It порядка 10-9 $\mbox{\AA}$. Полагая, что электронные состояния (орбитали) локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении X и / или Y с одновременным измерением выходного сигнала в цепи Z можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне. Эта структура может быть отображена в двух режимах: измеряя туннельный ток и поддерживая расстояние $\delta_{z}$ от острия до поверхности образца или измеряя изменения в положении острия (то есть расстояние до поверхности образца) при постоянном туннельном токе (второй режим используется чаще).

а - принцип действия СТМ; б - схема, иллюстрирующая работу СТМ
Рис. 1. а - принцип действия СТМ: рx , рy , рz - пьезоэлементы; $\delta_{z}$ - туннельный вакуумный промежуток между острием-зондом и образцом; It - туннельный ток; б - схема, иллюстрирующая работу СТМ. Туннельный ток, возникающий при приложении напряжения Vs , поддерживается постоянным за счет цепи обратной связи, которая управляет положением острия с помощью пьезоэлемента рz . Запись осциллограммы напряжения Vz в цепи обратной связи при одновременном воздействии пилообразного напряжения развертки вдоль осей x и y образует туннельное изображение, являющееся своего рода репликой поверхности образца

Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике, а электронное туннелирование3 с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления СТМ (как и контактная спектроскопия). Все это делает СТМ уникальным микроскопом, который не содержит линз (а значит, изображение не искажается из-за аберраций), энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопии высокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов.

История создания этой методики берет свое начало с конца 60-х годов XX века, когда Р. Янг (Национальное бюро стандартов, США) попытался использовать электронное туннелирование для исследования геометрической структуры поверхности. С этой целью он разработал прибор, названный им топографиметром, весьма напоминающий современный СТМ за одним принципиальным исключением: сканирование осуществлялось на расстоянии $\sim 100 \mbox{\AA}$ от поверхности и в режиме полевой электронной эмиссии (а не вакуумного туннелирования!). В результате удалось наблюдать, например, поверхность дифракционной решетки ($\sim 180$ линий/мм), но с разрешением лишь несколько сот ангстрем.

В ноябре 1978 года будущие Нобелевские лауреаты Бинниг и Рорер вернулись к идее использования вакуумного туннелирования для локальной спектроскопии тонких оксидных слоев на металлах. Для перемещения острия на малые расстояния и поддержания ширины вакуумного зазора с субангстремной точностью были использованы пьезоэлектрические материалы и система обратной связи (рис. 1, б ).

Несмотря на свою простоту, конструирование и изготовление СТМ до сих пор остается трудной задачей. Даже в наши дни существует немного лабораторий, располагающих СТМ, которые работали бы с истинно атомным разрешением. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные СТМ, работающие в условиях криогенных температур. В дальнейшем будем говорить только о сверхвысоковакуумных СТМ, работающих при комнатной температуре. Перечислим основные проблемы, стоящие перед разработчиками: 1) изоляция от акустических и механических вибраций; 2) создание быстродействующей малошумящей электроники, работающей в широком динамическом диапазоне; 3) обеспечение надежных сверхвысоковакуумных условий, допускающих различные манипуляции с образцом; 4) изготовление тонких атомногладких острий-зондов и их диагностика.

Для решения первоначально казавшейся непреодолимой проблемы виброизоляции Бинниг и Рорер в своей первой конструкции использовали даже сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла. В дальнейшем эту проблему удалось решить используя специальную подвеску в вакууме всего микроскопа на длинных пружинах и разместив сканирующий узел на массивном виброизолирующем столике. Для подвода острия-зонда к образцу на расстояние $\delta_{z}$ , равное нескольким ангстремам, и сканирования вдоль поверхности использовался пьезодвигатель на основе пьезоэлектриков - это такие материалы, которые изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения (рис. 1, а).

Схема, демонстрирующая устройство СТМ и его работу, приведена на рис. 1, б. На пьезоэлемент pz подается напряжение с выхода усилителя обратной связи, которое определяет величину зазора между образцом и острием и тем самым величину туннельного тока. Сам туннельный ток должен быть все время пропорционален заданному току, что поддерживается благодаря управляемой компьютером цепи обратной связи. На пьезоэлементы px и py под управлением того же компьютера подаются пилообразные напряжения, формирующие строчную и кадровую развертки (растр) подобно тому, как это осуществляется в телевидении. Осциллограммы напряжения Vz запоминаются компьютером, после чего преобразуются в зависимость z (x, y), отображающую траекторию движения острия и, таким образом, являющуюся туннельным изображением поверхности образца. Как правило, записанные сигналы подвергаются фильтрации и дополнительной компьютерной обработке, позволяющей представить туннельные изображения в режиме так называемой серой шкалы, в котором контраст изображения коррелирует с рельефом поверхности: светлые пятна соответствуют более высоко расположенным областям и наоборот. И в процессе работы даже с первым вариантом СТМ в марте 1981 года (всего через 27 месяцев после того, как была сформулирована его базовая концепция!) была экспериментально доказана характерная для туннелирования экспоненциальная зависимость тока It от расстояния $\delta_{z}$ острие-образец. День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии.

Основная область применения СТМ - физика поверхности твердых тел. Уже первые эксперименты по исследованию поверхности золота Au(100), относительно которой из данных ДМЭ было известно, что она испытывает реконструкцию $1 \times 2$, позволили наблюдать различные сверхструктуры и ступеньки моноатомной высоты (рис. 2), что бесспорно свидетельствовало о разрешении прибора порядка нескольких ангстрем (сами исследователи ожидали получить геометрическое разрешение по плоскости наблюдения не более $45 \mbox{\AA}$). И стало ясно, что в руках ученых появился уникальный инструмент, позволяющий наблюдать на поверхности отдельные атомы. Но чтобы убедить широкие круги научной общественности в том, что получаемые данные являются реальными экспериментальными результатами, а не данными компьютерного моделирования, понадобилось провести исследование поверхности кремния.

СТМ-изображение поверхности золота Au(110)
Рис. 2. СТМ-изображение поверхности золота Au(110): а - изображение, полученное в режиме линейной шкалы, на котором отчетливо видны ряды атомов и в то же время наблюдается определенное разупорядочение: узкие полосы с реконструкцией $1 \times 2$ перемешаны с полосами $1 \times 3$ и $1 \times 4$ (показаны цифрами), а также с линиями ступеней. Заметим, что исторически это самое первое СТМ-изображение с атомным разрешением, полученное Биннигом и Рорером в марте 1982 года, однако оно сравнительно долгое время оставалось неопубликованным (Surf. Sci. 1983. Vol. 131. P. L379) отчасти из-за более впечатляющих СТМ-изображений поверхности Si(111)-$7 \times 7$ (см. рис. 3), полученных осенью того же года; б - структурная модель поверхности Au(110); в - впоследствии атомная структура поверхности Au(110) сравнительно легко наблюдалась в режиме "серой" шкалы

СТМ-изображение реконструированной поверхности кремния Si(111)
Рис. 3. СТМ-изображение реконструированной поверхности кремния Si(111)-$7 \times 7$: а - рельеф поверхности, полученной из записей осциллограмм напряжения Vz ; напряжение смещения Vs = + 2,9 В [Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E., 1983]; б - СТМ-изображение такой же поверхности, но полученное в режиме "серой" шкалы после фильтрации сигнала и его математической обработки; Vs = = +1,96 В, туннельный ток It = 4*10-10 А. Черным ромбиком выделена элементарная ячейка, внутри которой находится 12 адатомов, длины диагоналей составляют $d_{1} = 46,6 \mbox{\AA}$, $d_{2} = 26,9 \mbox{\AA}$, глубина угловых ямок $\sim 2 \mbox{\AA}$ ; в - DAS-модель Такаянаги реконструкции $7 \times 7$ (А - вид сверху, Б - вид сбоку); Элементарная ячейка содержит 12 адатомов и 9 димеров

1Обратная решетка - совокупность узлов, радиусы-векторы которых $\bar{r} = i\bar{{a}^{*}} + j\bar{{b}^{*}} + k\bar{{c}^{*}}$ , где i, j, k - всевозможные целые числа, $\bar{{a}^{*}} = [\bar{b} \times \bar{c}]/V$ , $\bar{{b}^{*}} = [\bar{c} \times \bar{a}]/V$ , $\bar{{c}^{*}} = [\bar{a} \times \bar{b}]/V$ ; $[\bar{b} \times \bar{c}]$ , $[\bar{c} \times \bar{a}]$ , $[\bar{a} \times \bar{b}]$ - векторные произведения основных трансляций кристаллической решетки $\bar{a}$, $\bar{b}$, $\bar{c}$; V - объем элементарной ячейки. Понятие обратной решетки весьма удобно при описании дифракции на кристаллах рентгеновских лучей и электронов, так как позволяет установить взаимно однозначное соответствие между дифракционными рефлексами и узлами обратной решетки.

2За изобретение нового класса электронных микроскопов - сканирующего туннельного микроскопа Г.  Биннингу и Г.  Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике 1986 года (вместе с Э. Руской).

3За разработку метода туннельной спектроскопии Л. Эсаки , А. Джайверу и П.Д. Джозефсону была присуждена Нобелевская премия по физике 1973 года.

Назад | Вперед
Проект осуществляется при поддержке:
 Геологического факультета МГУ,
РФФИ
    
TopList Rambler's Top100