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

29 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

13711. The 21st century has begun. What changes do you think this new century will bring? Use examples and details in your answer 2 KB
  The 21st century has begun. What changes do you think this new century will bring Use examples and details in your answer. Man through the ages has undergone many changes from the time when he depicted a herd of mammoths on the walls of his cave to these days when he can create beautiful pictures and even make coffee by use of computer technologies without leaving his favorite chair. The 20th century made huge steps in developing computer technologies and reached many goals that made o...
13712. Some people say that advertising encourages us to buy things we really do not need. Others say that advertisements tell us about new products that may improve our lives. Which viewpoint do you agree with? Use specific reasons and examples to support your 5.76 KB
  Some people say that advertising encourages us to buy things we really do not need. Others say that advertisements tell us about new products that may improve our lives. Which viewpoint do you agree with Use specific reasons and examples to support your answer. I think that everyone can divide all advertising products and services into useless ones and useful ones. It is like looking through an information desk when you pay attention to those messages that interest you. Take me for examp...
13713. Do you agree or disagree with the following statement? Advertising can tell you a lot about a country. Use specific reasons and examples to support your answer 1.84 KB
  Do you agree or disagree with the following statement Advertising can tell you a lot about a country. Use specific reasons and examples to support your answer. Every country has its own culture and traditions. There is no doubt that an advertising campaign conducted in Russia will not have the same affect here in the United States. Let us take for example advertisement of food and restaurants. A huge amount of fast food stands suggest their services for breakfast lunch di...
13714. A gift (such as a camera, a soccer ball, or an animal) can contribute to a child’s development. What gift would you give to help a child develop? Why? Use reasons and specific examples to support your choice 2.45 KB
  A gift such as a camera a soccer ball or an animal can contribute to a childs development. What gift would you give to help a child develop Why Use reasons and specific examples to support your choice. People learn and develop throughout their entire lives. I think that in our modern world it is very essential to be familiar with computer technology. So if I had a chance to give a child a gift it would be a computer. I think that computers play an essential role in our lives and ...
13715. Would you prefer to live in a traditional house or in a modern apartment building? Use specific reasons and details to support your choice 2.25 KB
  Would you prefer to live in a traditional house or in a modern apartment building Use specific reasons and details to support your choice. If I was asked where I would I prefer to live in a traditional house or in a modern apartment building I think I would hesitate to answer. This question from my point of view is a controversial one. In the following paragraphs I will analyze both these options and present my view. From the one side living in a modern apartment building bri...
13716. If you could study a subject that you have never had the opportunity to study, what would you choose? Explain your choice, using specific reasons and details 1.8 KB
  If you could study a subject that you have never had the opportunity to study what would you choose Explain your choice using specific reasons and details. If I would have the opportunity to study a subject I do not know yet I would choose to study the outer space. I have a Bachelor degree in Management and I like to have the possibilities to work in this field. However I was always interested in the space exploration. I think it is a very interesting and challenging job to w...
13717. Do you agree or disagree with the following statement? Attending a live performance (for example, a play, concert, or sporting event) is more enjoyable than watching the same event on television. Use specific reasons and examples to support your opinion 1.89 KB
  Do you agree or disagree with the following statement Attending a live performance for example a play concert or sporting event is more enjoyable than watching the same event on television. Use specific reasons and examples to support your opinion. The issue whether to attend a live performance or enjoy watching the same event on TV is a controversial one. However in my opinion an intermediate position can be taken. I base my suggestion on the following points. But before I begin I...
13718. Do you agree or disagree with the following statement? People should read only those books that are about real events, real people, and established facts. Use specific reasons and details to support your opinion 5.36 KB
  Do you agree or disagree with the following statement People should read only those books that are about real events real people and established facts. Use specific reasons and details to support your opinion. Some people think that fiction books have no use at all. They claim that people should read about real events that took place real people and established facts. I have to totally disagree with this statement. From my everyday experience and observation I can stand that fiction...
13719. It has been said, “Not everything that is learned is contained in books.” Compare and contrast knowledge gained from experience with knowledge gained from books. In your opinion, which source is more important? Why? 2.02 KB
  It has been said €œNot everything that is learned is contained in books.€ Compare and contrast knowledge gained from experience with knowledge gained from books. In your opinion which source is more important Why People are learning and practicing through their entire life. I believe that life experience and practice are the basic reasons of the humankind's evolution. However in my opinion knowledge gained from books plays a very important role in the modern life. The mo...