19855

Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Получение изображения поверхности в режиме постоянного туннельного тока и в режиме метода постоянной высоты

Лекция

Физика

Лекция 20 Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа СТМ. Получение изображения поверхности в режиме постоянного туннельного тока и в режиме метода постоянной высоты. Модуляционная методика определения локальной работы выхода. Измерение вольтамперных харак

Русский

2013-07-18

417.5 KB

30 чел.

Лекция 20

Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Получение изображения поверхности в режиме постоянного туннельного тока и в режиме метода постоянной высоты. Модуляционная методика определения локальной работы выхода. Измерение вольт-амперных характеристик с помощью СТМ.

Исторически первым в семействе зондовых микроскопов появился сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Он был создан в 1981 году Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в научно-исследовательской лаборатории фирмы IBM в Цюрихе. Пятью годами позже за это изобретение им присудили Нобелевскую премию по физике. СТМ был первым инструментом, который позволил получить изображение поверхности кремния с атомным разрешением.

Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле. На рис.20.1 приведена схема туннелирования электронов через потенциальный барьер в СТМ.

Рис. 20.1

В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояния в несколько ангстрем. При этом образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер, величина которого определяется, в основном, значениями работы выхода электронов из материала зонда ер и образца еs. При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой, равной средней работе выхода материалов:

е* = (ер + еs)/2.

Как известно из квантовой механики, вероятность туннелирования электрона (коэффициент прохождения) через одномерный барьер прямоугольной формы равна

    (20.1)

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; Δz – ширина барьера.

Энергетическая диаграмма туннельного контакта двух металлов изображена на рис. 20.1.

Рис. 20.2

Для туннельного контакта двух металлов константу затухания можно представить в виде

.     (20.2)

При приложении к туннельному контакту разности потенциалов V между зондом и образцом появляется туннельный ток. В процессе туннелирования участвуют, в основном, электроны с энергией вблизи уровня Ферми EF . В случае контакта двух металлов выражение для плотности туннельного тока имеет вид

 (20.3)

где параметры  j0 и А определяются следующими выражениями:

.    (20.4)

При условии малости напряжения смещения V << выражение (20.3) существенно упрощается

Так как экспоненциальная зависимость очень сильная, то для оценок и качественных рассмотрений можно пользоваться упрощенной формулой

(20.5)

в которой величина j0(V) считается не зависящей от изменения расстояния зонд-образец. Для типичных значений работы выхода (е ~ 4 эВ) значение константы затухания k = 2 Å-1, так что при изменении Δz на ~ 1 Å величина туннельного тока меняется на порядок.

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 и в более сложных моделях, что подтверждается экспериментально.

Если V >> , то из (20.3) получается формула Фаулера-Нордгейма для плотности тока автоэлектронной эмиссии, подробно рассмотренная в Лекции 11.

Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния позволяет осуществлять регулирование расстояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. Так как СТМ представляет собой электромеханическую систему с отрицательной обратной связью, то с ее помощью можно поддерживать величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне I0, выбираемом оператором. В каждой точке растра происходит перемещение зонда на величину Δz таким образом, чтобы величина It оказалась равной I0.

Изображение рельефа поверхности в СТМ можно получить двумя методами. В методе постоянного туннельного тока (рис. 20.3) зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжения на Z-электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции z = f(x,y), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

Рис. 20.3

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается метод постоянной высоты (Z = const). В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (рис. 20.4). Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени.

Рис.20.4

Высокое разрешение СТМ по оси Z (доли ангстрема) определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Необходимо иметь в виду, что подобное разрешение определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия зонда, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов c размерами много меньше, чем характерный радиус кривизны острия – рис.20.5 .

Рис.20.5

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 (~ Å). Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.

Для неоднородных образцов туннельный ток является не только функцией расстояния от зонда до образца, но также зависит от значения локальной работы выхода электронов в данном месте поверхности. Для получения информации о распределении работы выхода по поверхности образца в пределах растра применяется метод модуляции расстояния зонд-образец Δz. В данном методе в процессе сканирования к управляющему напряжению на Z-электроде сканера добавляется переменное напряжение с внешнего генератора на частоте ω. Тогда напряжение на Z-электроде сканера можно представить в виде U = U0(t) + Umsint. Это приводит к тому, что расстояние зонд-образец оказывается промодулированным на частоте ω, т.е. Δz(t) = Δz0(t) + Δzmsint; Δzm и Um связаны между собой через коэффициент электромеханической связи пьезосканера K = Δzm /Um. Частота модуляции ω выбирается выше частоты полосы пропускания петли обратной связи, чтобы система обратной связи не могла отрабатывать данные колебания зонда. Амплитуда переменного напряжения Um выбирается достаточно малой, чтобы возмущения туннельного промежутка также были малыми.

Схема измерения локальной работы выхода с помощью метода модуляции расстояния зонд-образец приведена на рис. 20.5.

Рис. 20.5

Колебания расстояния зонд-образец приводят к тому, что появляется переменная составляющая тока на частоте ω и выражение (20.5) для туннельного тока принимает вид:

.

Так как Δzm << Δz0, то экспоненту можно разложить по порядку малости Δzmz0, поэтому выражение для туннельного тока как функция времени может быть представлено в виде

.

Если использовать синхронный детектор и проводить измерения It на частоте , то в каждой точке растра (xy) измеряемая амплитуда частотной модуляции туннельного тока может быть представлена в виде:

(20.6)

Таким образом можно построить одновременно с рельефом z = f(x,y) распределение величины локальной работы выхода еφ(x,y) на исследуемом участке поверхности.

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. Для регистрации вольт-амперных характеристик туннельного контакта в СТМ используется следующая методика. На СТМ изображении поверхности выбирается область образца, в которой предполагается произвести измерения. Зонд СТМ выводится сканером в соответствующую точку поверхности. Для получения ВАХ контакта обратная связь на короткое время разрывается, и к туннельному промежутку прикладывается линейно нарастающее напряжение. При этом синхронно с изменением напряжения регистрируется ток, протекающий через туннельный контакт. Во время снятия ВАХ на время разрыва обратной связи на электрод сканера подается потенциал, равный потенциалу непосредственно перед разрывом.

В каждой точке производится снятие нескольких ВАХ. Итоговая вольт-амперная характеристика получается путем усреднения набора ВАХ, снятых в одной точке. Усреднение позволяет существенно минимизировать влияние шумов туннельного промежутка. Схема измерения ВАХ приведена на рис. 20.6.

Рис. 20.6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45712. Зарубежные теории и концепции журналистики 37.5 KB
  Известные американские теоретики и историки печати профессоры Иллинойского университета Фред Сиберт Теодор Петерсон и руководитель проекта профессор Стэнфордского университета Уилбур Шрамм подготовили и издали книгу Четыре теории прессы которая долгое время рассматривалась за рубежом как классическая работа. В каждой из четырех анализируемых авторами теорий проблема ответственности прессы находила свое решение в соответствии с теми социальными и политическими структурами в рамках которых функционировали СМИ. Теория свободы печати...
45713. Методика социологических исследований журналистики 29 KB
  Методика социологических исследований журналистики. Социология журналистики это дисциплина изучающая 1 журналистику как социнститут ее место и значение в системе общ отношений и в соц структуре; 2 журку как средство общения и взаимодействия м у людьми изучение личности журналиста приемов и механизмов манипуляций пропаганды воздействия СМИ на личность. Подходы к изучению журки: 1журка как объект изучения изучают не журты а со стороны и 2Журка как субъект исследования журты являются исследователями Методы сбора информации.
45714. Правовое регулирование журналистской деятельности 36.5 KB
  Идеологический плюрализм в России; Статья 14 религиозный плюрализм никакая религия не может быть признана государственной или официальной; Статья 15 приоритет международного над национальным правом; Статья 23 право на неприкосновенность частной жизни личную и семейную тайну защиту своей чести и доброго имени. Частная жизнь особая сфера бытовых и интимных отношений человека не подлежащая контролю со стороны государства и общества; Статья 41 ответственность...
45715. Политическая журналистика в современной России 36.5 KB
  Вскоре информационные империи обоих олигархов пополнились общефедеральными телеканалами: бывшим Первым каналом после реформирования получившим название ОРТ и вновь созданным на четвертой кнопке НТВ. Передовые информационные технологии позаимствованные за рубежом и успешно адаптированные к отечественным условиям энтузиазм и талант журналистов помноженные на деньги владельца обусловили тот факт что последующие несколько лет вошли в историю российской журналистики как эпоха первого НТВ. Неверно однако было бы рассматривать первое...
45716. Этическое регулирование журналистской деятельности 46 KB
  Существует 2 основных критерия выделения профессиональной этики: 1 применение ПЭ в условиях конкретной профессии на основе общих норм нравственности 2 ПЭ существует лишь в тех профессиях которые непосредственно воздействуют на человека. Положения профессиональной морали зафиксированы в ряде кодексов. В любой стране есть свой кодекс профессиональной этики журналиста но все они так или иначе повторяют одни и те же положения. В СССР Союз журналистов появился в 1957году в 1988 создан Совет по профессиональной этике...
45717. Социальные функции журналистики 38.5 KB
  Социальные функции журналистики Корконосенко разделяет социальные роли и социальные функции журналистики. РОЛИ Сущность ролевой характеристики заключается в выполнении ряда соц. Ролевая характеристика строится в зависимости от количества и качественных особенностей сфер жизни в которые проникает журналистика социетальных систем практически во все. Это: экономическая политическая духовноидеологическая и социальная.
45718. Научные исследования массовой коммуникации: направления и методы. 80 KB
  Научные исследования массовой коммуникации: направления и методы. Науки занимающиеся исследованием массовой коммуникации: Теория коммуникации Социология массовой коммуникации Психология массовой коммуникации Появления новой навой дисциплины Коммуникологии ссылаться на Ф. Шаркова курс лекций по Социологии массовой коммуникации Далее он по тексту: Коммуникология система сформированных знаний и деятельность по получению новых знаний о коммуникации направленные на интеграцию в единую систему знаний науку включающее: 1 теорию...
45719. Тематические, структурные и графические характеристики, формирующие «лицо» издания. Специфика и особенности газетного оформления. Основные принципы и законы 55 KB
  Но и этого субъективного фактора еще мало для окончательного формирования индивидуального облика газеты. Но при всех обстоятельствах при равных и различных типографских возможностях каждая редакция может добиться графической индивидуализации своей газеты придать большее или меньшее своеобразие ее внешнему облику. Отобранные отработанные и ставшие стабильными приемы и способы оформления и придают газете черты самобытности образующей ее графическую индивидуальность своего рода оформительскую модель данной газеты. Лицо газеты таким...
45720. Современные печатные СМИ: состояние и перспективы развития. Новые информационные технологии и их влияние на СМИ 35 KB
  Новые информационные технологии и их влияние на СМИ. Новые технологии активно внедряются и в полиграфическое производство. Среди новинок ризография новые цифровые оконечные устройства сопрягаемые с компьютером. Стремительно меняющиеся вкусы нового электората живущего в век видео и его новые запросы во многом формируемые им.