Сканирующая туннельная микроскопия - Реферат

Белорусский государственный университетИменно на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твердого тела основаны успехи современных микро-и наноэлектроники, гетерогенного катализа, космических технологий и т.п. Первостепенное значение для понимания свойств любого объекта имеет знание его атомной структуры, поэтому определение поверхностных структур - один из наиболее важных разделов физики поверхности. 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. 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.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 ~ 100 A от поверхности и в режиме полевой электронной эмиссии (но не вакуумного туннелирования). В результате удалось наблюдать поверхность дифракционной решетки, но с разрешением лишь несколько сот ангстрем. В ноябре 1978 года будущие Нобелевские лауреаты Герд Бинниг и Генрих 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.Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле (Рисунок 1). При этом образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер, величина которого определяется, в основном, значениями работы выхода электронов из материала зонда и образца . (2.2) где - амплитуда волновой функции электрона, движущегося к барьеру; - амплитуда волновой функции электрона, прошедшего сквозь барьер; K - константа затухания волновой функции в области, соответствующей потенциальному барьеру; ?Z - ширина барьера. При приложении к туннельному контакту разности потенциалов V между зондом и образцом появляется туннельный ток (Рисунок 2). Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния (2.9) позволяет осуществлять регулирования состояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью.Принцип работы микроскопа для исследования структуры поверхности материала или шлифа, основанный на использовании в качестве инструмента измерения туннельного тока, был сформулирован в начале XX века после открытия основных положений квантовой механики. Однако практические трудности по разработке высокоточных двигателей для перемещения острия зонда, регистрирующих и следящих приборов, задержали появление конструкции туннельного микроскопа вплоть до конца XX столетия. 1 - двигатели для перемещения зонда по осям X, Y, Z; 2 - двигатель для перемещения объекта по оси Z; - напряжения, подаваемые на двигатели 1; - напряжение, подаваемое на двигатель 2; - разность потенциалов между зондом и объектом; - туннельный ток. Зонд перемещается в плоскости объекта XY и по нормали к ней Z с помощью трех двигателей 1. На-двигатель 1 подается напряжение обратной связи , и двигатель начинает перемещать зонд по нормали к поверхности объекта до тех пор, пока туннельный ток цепи зонд - образец не будет стабилизирован на заданном уровне.Высокое разрешение СТМ по нормали к поверхности (0,01 нм) определяется крутой экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния между объектом и зондом, а в плоскости объекта - с диаметром пучка электронов (Рисунок 7), т.е., прежде всего, - качеством острия зонда и шагом сканирования в этой плоскости. 1 - зонд; 2 - пучок электронов; 3 - объект (образец); - разность потенциалов между зондом и объектом; - туннельный ток; L - расстояние между зондом и объектом; F - площадь туннельного контакта Для вольфрамовых зондов, используя технологию химического травления, можно сформировать на конце острия лишь один атом и при многократном прохождении зонда с шагом сканирования примерно 0,02 нм достигнуть разрешения около 0,03 нм (размеры атомов) в плоскости XY объекта. Разрешение СТМ зависит от ряда факторов, основными из которых являются внешние вибрации, акустические шумы и качество приготовления зондов.

Содержание

Введение

1. История создания сканирующего туннельного микроскопа

2. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа

3. Устройство сканирующего туннельного микроскопа

4. Технические возможности сканирующего туннельного микроскопа

5. Требования к объектам исследования и методы их подготовки

6. Область использования сканирующей туннельной микроскопии

7. Развитие микроскопии ближнего поля и расширение области ее применения

Список используемых источников

Список используемых обозначений