Конструкция СТМ
1 – основание; 2 – трубчатый трехкоординатный пьезосканер; 3 – термокомпенсирующая пьезотрубка, служащая рабочим элементом шагового пьезодвигателя; 4 – металлический зонд; 5 – образец; 6 – цилиндрический держатель образца
Наиболее важное требование для СТМ - высокая помехозащищенность. Это обусловлено большой чувствительностью туннельного промежутка к внешним вибрациям, перепадам температуры, электрическим и акустическим помехам.
Формирование СТМ изображения
По методу постоянного туннельного тока
По методу постоянной высоты
Методики СТМ
Метод постоянного туннельного тока
Метод Постоянного Тока предполагает поддержание в процессе сканирования постоянной величины туннельного тока с помощью системы обратной связи. При этом вертикальное смещение сканера (сигнал обратной связи) отражает рельеф поверхности
Метод постоянной высоты
При использовании Метода Постоянной Высоты сканер СТМ перемещает зонд только в плоскости, так что изменения тока между острием зонда и поверхностью образца отражают рельеф поверхности. Поскольку по этому методу нет необходимости отслеживать зондом расстояние до поверхности образца, скорости сканирования могут быть более высокими. Поэтому данный метод может быть применен к образцам с очень ровной поверхностью, поскольку неоднородности поверхности выше 5-10 А будут приводить к разрушению кончика зонда
Методики СТМ
СТМ позволяет получать информацию о пространственном распределении микроскопической работы выхода поверхности
Туннельный ток экспоненциально затухает с расстоянием зонд-образец как
I ~ exp(-2kz)
При отображении локальной высоты барьера измеряем чувствительность туннельного тока к вариациям расстояния зонд-образец в каждом пикселе СТМ изображения. Получаем видимую высоту барьера U, определяемой выражением:
U= 0,95(1/I)2(dI/dz)2
Эта величина U обычно сравнивается со средней работой выхода Uav = (Us + Ut )/2, где Ut и Us являются работами выхода материала зонда и образца соответственно. Известно, величина U близка к локальному поверхностному потенциалу (локальной работе выхода) и является хорошей мерой его.
Методики СТМ
Измеряемый в СТМ ток определяется процессами туннелирования
через зазор зонд-поверхность образца его величина зависит не только от высоты барьера но также и от плотности электронных состояний.
Соответственно получаемые в СТМ изображения являются не просто изображениями рельефа поверхности образца, на эти изображения может сильно влиять распределение плотности электронных состояний по поверхности образца.
Пример ВОПГ – видно каждый второй атом
Методики СТМ
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.
Методики СТМ
ВАХ –металл/металл |
ВАХ – метал/полупроводник |
Примеры применения
ВОПГ – высокоориентированный пирографит
Примеры применения
Пленка ЛБ
Примеры применений
Массив наноостровков Si, полученных напылением пяти моноатомных слоев Si на поверхность Si(100), покрытую тонким слоем SiO2