Глава 5. Сканирующая зондовая микроскопия
5.1.Введение
Впредыдущих разделах мы рассматривали спектроскопические методы, позволяющие получать информацию главным образом об элементном и химическом составе наноструктур и поверхностных слоев образца. Второй важнейшей задачей исследования поверхности является определения геометрического расположения атомов относительно друг друга и нижележащих слоев. В эту задачу входит:
-определение симметрии расположения атомов (поверхностной кристаллической решетки);
-определение расположения атомов в элементарной ячейке поверхностной решетки.
Эти задачи решаются микроскопическими и дифракционными методами исследования поверхности, к которым относятся:
-сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ, включая СТМ и АСМ);
-сканирующая (растровая) электронная микроскопия (СЭМ/РЭМ);
-просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ);
-дифракция медленных электронов (ДМЭ).
Кметодам исследования поверхности и наноструктур, позволяющим анализировать взаимное расположение атомов, можно также отнести спектроскопию околопороговой области края поглощения рентгеновского излучения (XANES).
В данном главе мы будем рассматривать группу методов СЗМ, дающих возможность прямого наблюдения атомов поверхности. Методы СЗМ включают в себя:
-сканирующую туннельную микроскопию (СТМ);
-атомно-силовую микроскопию (АСМ);
183
-электронно-силовую микроскопию (ЭСМ);
-магнитно-силовую микроскопию (МСМ), а также их разновидности.
Основы метода СЗМ были заложены Гердом Биннигом (Gerd Binnig) и Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer) из исследовательской лаборатории компании IBM в 1981 году, которые по праву считаются первооткрывателями метода СТМ.
Рис.5.1. Генрих Рорер (р.1933) (слева) и Герд Бинниг (р. 1947) (справа), изобретатели сканирующего туннельного микроскопа (Нобелевская премия по физике «за изобретение сканирующе-
го туннелирующего микроско-
па», 1986 г.) 42)
В 1986 г. Бинниг и Рорер разделили половину Нобелевской премии по физике «за изобретение сканирующего туннелирующего микроскопа». Другую половину премии получил Эрнст Руска за работу над электронным микроскопом. Награждая премией Биннига и Рорера, представитель Шведской королевской академии наук заявил: «Очевидно, что эта техника обещает чрезвычайно много и что мы до сих пор были свидетелями лишь начала ее развития. Многие исследовательские группы в различных областях науки пользуются сейчас сканирующим туннелирующим микроскопом. Изучение поверхностей является важной частью физики, особенно необходимой в физике полупроводников и в микроэлектронике. В химии поверхностные реакции тоже играют важную роль, например в катализе. Можно, кроме того, фиксировать органические молекулы на поверхности и изучать их строение. Среди прочих приложений эту технику можно использовать для исследования молекул ДНК». Вспоминая о том, что он чувствовал, узнав о награжде-
42) Фото с сайта: http://www.kfki.hu/~cheminfo/hun/teazo/naptar/binnig.html
184
нии, Бинниг отметил: «Это было прекрасно и ужасно одновременно», поскольку это было признанием большого успеха, но одновременно означало завершение «захватывающего открытия».
Методы СЗМ входят в большую группу микроскопических методов, однако только они позволяют «увидеть» отдельные атомы поверхности твердого тела.
Развитие микроскопических методов берет свое начало в XV веке от изобретения увеличительного стекла. В XVII веке Левенгуком был изобретен первый оптический микроскоп, который позволил установить существование отдельных клеток, микробов и бактерий. Однако сколь совершенными ни были бы оптические микроскопы, они никогда не позволят разрешить отдельные атомные структуры, поскольку длина волны видимого света почти в 2000 раз больше размер атома ( λ ~ 6000 Å, d ~ 3 Å). Попытка рассмотреть атомы
воптический микроскоп аналогична попытке заметить на теннисном корте трещину толщиной в человеческий волос судя по отскоку теннисного мяча!
Открытие квантовой механики и волновых свойств электрона в 1920-х годах послужило основой создания электронных микроскопов, работающих на принципе дифракции. Электронная микроскопия высокого разрешения позволяет видеть атомные плоскости и ряды, измерять межплоскостное расстояние, однако увидеть отдельно стоящий атом дифракционные методы не позволяют.
Чтобы сравнить характеристики по пространственному разрешению различных микроскопических методов, рассмотрим рис.5.2 Как видно из рисунка, наилучшим разрешением в плоскости обладают методы ПЭМ и СЗМ, однако первый заметно уступает второму по разрешению по высоте. Методы СЗМ дают уникальную возможность получения изображения поверхности с атомным разрешением по всем трем координатам.
Благодаря своим уникальным возможностям после своего изобретения метод СТМ получил бурное развитие, породив целую группу методов СЗМ. Уникальные возможности СЗМ заключаются
вследующем:
185
Рис.5.2. Сопоставление пространственного разрешения различных микроскопических методов: оптическая микроскопия (ОМ), растровая электронная микроскопия (РЭМ), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), ска-
нирующая зондовая микроскопия (СЗМ) 43)
1)постранственное разрешение в плоскости поверхности ~1 Å, в перпендикулярном направлении (по высоте) ~ 0.1 Å;
2)осутствие необходимости работы в условиях СВВ; возможность проведения исследований на атмосфере и в жидкости (в этом случае атомное разрешение достигается не всегда);
3)плучение информации о профиле поверхности, ее шероховатости, твердости, намагниченности, локальной работе выхода, плотности электронных состояний с атомным разрешением;
4) взможность работы в широком диапазоне температур
T= 4 ÷1000 К;
5)взможность создания комбинированных исследовательских комплексов (например. РЭМ-СТМ);
6)шрокий спектр исследуемых образцов (проводящие, непроводящие, магнитные, биологические).
Методы СЗМ нашли самое широкое применения в различных областях науки и техники:
- физика и химия поверхности на атомном уровне (адсорбция и рост островковых пленок, нанокатализ, поверхностные дефекты);
43) Й. Кук, П. Силверман // Приборы для науч. исслед., 2 (1989) с.3.
186