Основы сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

 

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) - первый из сканирующих зондовых микроскопов. 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.

В основе СТМ лежит явление квантово-механического туннельного эффекта, заключающегося в способности частиц преодолевать потенциальные барьеры, высота которых больше полной энергии частицы. Туннельный эффект связан с волновыми свойствами частиц. Явление туннельного эффекта можно описать с помощью модели энергетических состояний свободных электронов в металле. В рамках этой модели внутри проводника электронный газ считается свободным, то есть энергия электронов описывается соотношением , где р – импульс электрона, a m — его масса. Максимальную энергию, которую может иметь электрон в металле при температуре абсолютного нуля, называют уровнем Ферми (Е_р). Весь объем металла является для электронов проводимости потенциальной ямой. Основной вклад в туннельный ток вносят электроны, имеющие наибольшую энергию, то есть находящиеся на уровнях, близких к Е_р. Вблизи поверхности металла, то есть около границы раздела металл - вакуум, электроны проводимости оказываются вблизи края потенциальной ямы, который служит для них потенциальным барьером, высота которого определяется работой выхода φ;.

Согласно классическим представлениям, прохождение электроном потенциального барьера, имеющего высоту U, большую полной энергии электрона Е, означает появление у него мнимого импульса: . Однако, согласно квантово-механическим представлениям, положение электрона в пространстве описываются волновой функцией, являющейся решением уравнения Шредингера: , где z - координата в направлении по нормали к поверхности металла, h — постоянная Планка. Тогда мнимый импульс определяет волновую функцию электрона, экспоненциально затухающую в направлении, перпендикулярном к поверхности металла:

(1)

Прозрачность потенциального барьера в квазиклассическом приближении определяется вероятностью прохождения частицы сквозь него, вычисляемой как отношение числа прошедших частиц к количеству частиц, упавших на барьер. Для барьеров сложной формы эта величина равна:

При сближении двух металлов на расстояние, меньшее расстояния, на котором волновые функции покинувших потенциальные ямы электронов затухают (1), возникает туннельный контакт металл — вакуум — металл (Рис. 1).

Рис. 1. Зонная диаграмма туннельного контакта двух проводников и огибающие волновые функции электронов в металле и в барьере в приближении эффективной массы

 

В такой системе при наличии внешнего напряжения, называемого напряжением смещения V, между двумя металлами возможно протекание туннельного тока. Если напряжение смещения невелико (eV<<φ), то величина туннельного тока I_Tпропорциональна приложенному напряжению:

(2)

где d — расстояния между двумя металлами, А и b — константы. Важным выводом из этого соотношения является экспоненциальный характер зависимости величины туннельного тока от ширины туннельного барьера d. С помощью зависимости (2) можно получить, что увеличение ширины туннельного барьера на 1A приводит к уменьшению величины туннельного тока на порядок.

В СТМ используется туннелирование электронов между проводящими зондом и образцом при наличии внешнего напряжения; шириной туннельного перехода является расстояние между зондом и поверхностью образца.

В качестве зонда в СТМ используется остро заточенная металлическая игла. Предельное пространственное разрешение СТМ определяется в основном радиусом закругления острия (которое может достигать нескольких ангстрем) и его механической жесткостью. Если механическая жесткость в продольном и поперечном направлениях оказывается достаточно малой, механические, тепловые и квантовые флуктуации иглы могут существенно ухудшить разрешение СТМ. В качестве материала для зонда обычно используются металлы с высокой твердостью и химической стойкостью: вольфрам или платина.

Между зондом и образцом прикладывается напряжение. Когда кончик зонда оказывается на расстоянии около 10 Å от образца, электроны из образца начинают туннелировать через промежуток в иглу или наоборот, в зависимости от знака напряжения. Возникающий в результате ток туннелирования изменяется с зазором зонд-образец экспоненциально и измеряется туннельным сенсором 5 (Рис. 2).

Рис. 2. Схема сканирующего туннельного микроскопа. Обозначения:

1 - зонд; 2 - образец; 3 - пьезоэлектрические двигатели х, у, z; 4 - генератор развертки х, у; 5 - туннельный сенсор; 6 - компаратор; 7 - электронная цепь обратной связи; 8 - компьютер; 9 - изображение z(x,y)

В режиме постоянного тока (Рис. 3 а) величина туннельного тока между зондом и образцом поддерживается постоянной за счет приближения и отвода зонда системой обратной связи. Сигнал для получения изображения топографии поверхности берется из канала z-пьезопривода. Альтернативный метод регистрации, применяемый при исследовании малых достаточно плоских участков (атомно-гладких поверхностей), — работа в режиме с очень большой постоянной времени цепи обратной связи, так что при сканировании среднее расстояние острие - образец поддерживается постоянным (Рис. 3 б) и регистрируются быстрые изменения туннельного тока («токовое изображение»). Этот способ позволяет максимально использовать быстродействие системы регистрации и получать изображения «в реальном времени».

Рис. 3. Режимы постоянного тока (а) и постоянной высоты (б)