Розділ 1 скануюча тунельна мікроскопія. Атомно-силова мікроскопія

1.1 Принцип дії скануючого тунельного мікроскопа

Принцип дії скануючого тунельного мікроскопа (СТМ) досить простий, але кардинально відрізняється від усіх попередніх методик, що застосовувалися у фізиці поверхні. Тонке металеве вістря, змонтоване на електромеханічному приводі (X, У Z ‑позиціонованому), служить зондом для дослідження ділянок поверхні зразка (рисунок 1.1). Коли таке вістря підводиться до поверхні на відстань <10Å, то при додаванні між вістрям і зразком невеликої (від 0,01 до 10 В) напруги зміщення через вакуумний проміжокпочинає протікати тунельний струмблизько 10^-9А. Вважаючи, що електронні стани (орбіталі) локалізовані на кожній атомній ділянці, при скануванні поверхні зразка у напрямі X і/або У з одночасним виміром вихідного сигналу в ланцюзі можна отримати картину поверхневої структури на атомному рівні. Ця структура може бути відображена в двох режимах: вимірюючи тунельний струм і підтримуючи відстань від вістря до поверхні зразка або вимірюючи зміни в положенні вістря (тобто відстань до поверхні зразка) при постійному тунельному струмі (другий режим використовується частіше). [2]

Рисунок 1.1. Принцип дії СТМ [2]

Взагалі СТМ можна розглядати як поєднання трьох концепцій : сканування, тунелювання і локального зондування. Саме сканування як засіб відображення об'єкту широко застосовується і в інших типах мікроскопів, наприклад в растровому електронному мікроскопі, а також в телевізійній техніці, а електронне тунелювання з успіхом використовувалося для вивчення фізичних властивостей твердого тіла задовго до появи СТМ (як і контактна спектроскопія). Усе це робить СТМ унікальним мікроскопом, який не містить лінз (а значить, зображення не спотворюється із-за аберації), енергія електронів, що формують зображення, не перевищує декількох електронвольт (тобто менше енергії типового хімічного зв'язку), що забезпечує можливість неруйнівного контролю об'єкту, тоді як в електронній мікроскопії високого розділення вона досягає декількох кілоелектронвольт і навіть мегаелектронвольт, викликаючи утворення радіаційних дефектів. Існують такі режими роботи СТМ:

Режим постійного струму (constant - current mode). У цьому режимі I і V підтримуються постійними, X і У варіюються для сканування голкою досліджуваної ділянки поверхні, a Z при цьому вимірюється.

Режим постійної висоти (constant - height mode). Іноді зображення, що отримуються в цьому режимі, називають струмовими (current imaging). У цьому режимі Z і V підтримуються постійними, зміни X і У служать для сканування, а I вимірюється.

Режим спектроскопії (scanning tunneling spectroscopy (STS)). Відмінною рисою цього режиму є те, що варіюється V.

1.2 Принцип роботи АСМ.

Принцип роботи атомно-силового мікроскопа заснований на реєстрації силової взаємодії між поверхнею досліджуваного зразка і зондом. В якості зонда використовується нанорозмірна голка , що розташована на кінці пружної консолі , званої кантилевером . Сила, що діє на зонд з боку поверхні , призводить до вигину консолі. Поява височин або западин під голкою призводить до зміни сили, що діє на зонд , а значить , і зміни величини вигину кантилевера . Таким чином , реєструючи величину вигину , можна зробити висновок про рельєф поверхні .

Рисунок 1.2. Схема роботи атомно-силового мікроскопа [5]

Під силами, що діють між зондом і зразком , в першу чергу мають на увазі сили Ван-дер-Ваальса , які спочатку є силами тяжіння , а при подальшому зближенні переходять в сили відштовхування.

Рисунок 1.3. Графік залежності сили Ван-дер-Ваальса від відстані між кантилевером і поверхнею зразка [5]

Існують такі режими роботи АСМ:

Залежно від характеру дії сили між кантилевером і поверхнею зразка виділяють три режими роботи атомно-силового мікроскопа :

-Контактний ( англ. contact mode )

-Напівконтактний ( англ. semi - contact mode або tapping mode )

-Безконтактний ( англ. non - contact mode )

Тут необхідно пояснити , що саме береться за нуль відстані щоб уникнути плутанини . На рисунку 2 нуль відповідає нульовій відстані між ядрами атома на поверхні і найбільш виступаючого атома кантилівера . Тому нуль сили знаходиться на кінцевій відстані , відповідному кордоні електронних оболонок цих атомів ( при перекритті оболонок виникає відштовхування) . Якщо взяти за нуль кордону атомів , то сила звернеться в нуль в нулі відстані.