Контент-платформа Pandia:     2 872 000 материалов , 128 197 пользователей.     Регистрация


№ 6 сканирующая зондовая микроскопия

 просмотров

№ 6 Сканирующая зондовая микроскопия

Автор: Рамиль Кашапов

Сканирующая зондовая микроскопия - один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило основой для развития нанотехнологии – технологии создания структур с нанометровыми масштабами.

Сканирующий туннельный микроскоп – первый из семейства зондовых микроскопов, был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. Они показали, что это достаточно простой и весьма эффективный метод исследования поверхности с атомарным разрешением. В 1986 году за создание туннельного микроскопа Г. Биннигу и Г. Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике.

Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле. При подведении зонда к поверхности образца образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер, величина которого определяется, в основном, значениями работы выхода электронов из материала зонда φP и образца φS. Барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой, равной средней работе выходаматериалов:

Вероятность туннелирования электрона (коэффициент прохождения) через одномерный барьер прямоугольной формы равна:

где A0 - амплитуда волновой функции электрона, движущегося к барьеру; At - амплитуда волновой функции электрона, прошедшего сквозь барьер; k – константа затухания волновой функции в области, соответствующей потенциальному барьеру; Z - ширина барьера.

Если приложить к туннельному контакту разность потенциалов V между зондом и образцом появляется туннельный ток. В процессе туннелирования участвуют, в основном, электроны с энергией в окрестности уровня Ферми F E . В случае контакта двух металлов выражение для плотности туннельного тока (в одномерном приближении) имеет вид:

Реальный туннельный контакт в СТМ не является одномерным и имеет более сложную геометрию, однако основные черты туннелирования, а, именно, экспоненциальная зависимость тока от расстояния зонд-образец, сохраняются также и в более сложных моделях, что подтверждается экспериментально. Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния позволяет осуществлять регулирование расстояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. Это используется в двух режимах СТМ: измерение изменения в положении острия (то есть расстояние до поверхности образца) при постоянном туннельном токе (используется чаще) (схема a) или измерение туннельного тока при поддерживании расстояние Z от острия до поверхности образца постоянным (схема б):

Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянного

туннельного тока (а) и постоянной высоты (б)

Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. 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. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающий над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.

Вопросы:

1. Как стало ясно, сердцем сканирующего туннельного микроскопа является зонд, а точнее его кончик. Дайте описание и объяснение получения изображения в случае нахождения на кончике двух атомов, а не одного.

2. Можно ли будет такой иглой работать в режимах постоянного туннельного тока и постоянной высоты?

3. 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. Что происходит с кончиком иглы при работе на воздухе?

4. Возможно ли измерение локальной работы выхода методом СТМ, если можно, то как?

5. Что можно извлечь полезного измеряя вольт-амперные характеристики туннельного тока?

Решения:

1. Все зависит от того какое разрешение вы хотите получить. Если вы хотите получить атомарное разрешение, то будет происходить увеличение объекта во все стороны на один атом. Если разрешение не атомарное то изображение, получаемое данной иглой не будет отличаться от изображения иглы с одним атомом.

2. Возможна работа в режиме постоянной высоты и тока для гладких поверхностей. В случае работы на неровных поверхностях будет происходить смещение выступов на один атом.

3. При работе СТМ в воздушной среде происходит окислении кончика иглы. В результате чего происходит уменьшение тока, между кончиком и исследуемым образцом. А система обратной связи должна поддерживать ток постоянным и, пытаясь увеличить ток, приближает иглу к образцу. В результате игла впирается в образец.

4. Измерение локальной работы выхода возможно.

Измерение распределения работы выхода осуществляется параллельно, с измерением рельефа поверхности в режиме . Только в этом случае, кроме изменения расстояния между образцом и зондом за счёт цепи обратной связи, образец ещё колеблется под действием вынуждающей силы по закону . Соответственно расстояние между образцом и зондом , причём , где – расстояние образец-зонд, поддерживаемое постоянным с помощью цепи ОС; – резонансная частота колебаний пьезотрубки

Энергетическая диаграмма системы МДМ в случае, когда модулируется
расстояние между образцом и зондом .

Если прикладываемое напряжение , тогда:

где .

Таким образом, полный ток, протекающий через туннельный промежуток в данном случае равен , где – переменный туннельный ток. Так как значение поддерживается постоянным в процессе сканирования, то амплитуда переменного туннельного тока будет прямо пропорциональна квадратному корню из полусуммы работ выхода образца и зонда. Предполагая, что в процессе сканирования работа выхода зонда не меняется, тогда амплитуда будет зависеть только от работы выхода исследуемой поверхности.

Следует отметить, что частота должна быть существенно больше обратной постоянной времени в интеграторе цепи обратной связи и определяется максимальной допустимой частотой сканирования.

5. Измерение зависимости туннельного тока от прикладываемого напряжения между зондом и образцом осуществляется в режиме спектроскопия . В основе спектроскопии лежит зависимость туннельного тока от числа состояний , образующих туннельный контакт проводников в интервале энергий от уровня Ферми до , что при определяется как

Таким образом, зависимость туннельного тока от , при постоянном значении зазора между остриём и образцом, отражает картину распределения оборванных связей, а также других электронных состояний, отвечающих разным энергиям, т. е. энергетическому спектру либо иглы, либо поверхности. Функция зависит от плотности заполнения электронных состояний, плоскости фазового пространства, перпендикулярного направлению туннелирования при заданном значении .

Модель потенциального барьера произвольной формы в системе МДМ. Положительный потенциал приложен к правому металлу

В частности, по зависимости туннельного тока от , при постоянном значение зазора между остриём и образцом, согласно выражению (1), можно вычислить плотность электронных состояний:

Таким образом, характер изменения зависимости и её производной позволяют найти распределение энергетических уровней с атомарным разрешением. Это даёт возможность судить о типе проводимости, в частности для полупроводников – установить валентную зону, зону проводимости, примесную зону.

Согласно формулам при напряжении туннельная проводимость не зависит от прикладываемого напряжения

при зависимость от параболическая

Ответ: Туннельная вольт-амперная характеристика отражает число электронных состояний и их распределение в энергетическом спектре электродов, образующих туннельный контакт.

Мы в соцсетях:


Подпишитесь на рассылку:
Посмотрите по Вашей теме:

Практическое применение микроскопа

Проекты по теме:

Основные порталы, построенные редакторами

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: • АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика
История: СССРИстория РоссииРоссийская Империя
Окружающий мир: Животный мирДомашние животныеНасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организации
МуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммы
Отчеты: • по упоминаниямДокументная базаЦенные бумаги
Положения: • Финансовые документы
Постановления: • Рубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датам
Регламенты
Термины: • Научная терминологияФинансоваяЭкономическая
Время: • Даты2015 год2016 год
Документы в финансовой сферев инвестиционнойФинансовые документы - программы

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШколаПрофессиональное образованиеМотивация учащихся
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказ
Регионы РоссииПрограммы регионовЭкономика

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумаги: • УправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги - контрольЦенные бумаги - оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудит
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства