Сканирующая туннельная микроскопия

Как уже упоминалось, первым зондовым микроскопом, изобретенным и

реализованным Г. Биннигом и Г. Рёрером в полном объеме современной струк-

туры, был прибор, основанный на принципе квантового туннелирования элек-

тронов между металлическим острием и близко расположенным по отношению

к нему проводящим образцом. Зонды для сканирующей туннельной микроско-

пии (STM - Scanning Tunneling Microscopy) могут быть изготовлены различны-

ми способами (рис. 4.10).

в)

Принципиально важно, чтобы вблизи кончика образовались атомарно-

острые выступы. Несмотря на кажущуюся грубость методов травления и разре-

зания, из-за вытяжки проволоки перед ее разрывом почти всегда образуются

тонкие перемычки, которые после разрушения преобретают очень высокую ост-

роту. Один из этих выступов затем и используется в качестве зонда.

При уменьшении зазора между зондом и образцом до нескольких ангстрем

волновые функции электронов, находящихся на кончике острия и в ближайших

к нему атомах исследуемой поверхности, перекрываются (рис. 4.11), и при по-

даче небольшого напряжения (0,01... 10 В) на зонд возникает туннельный ток.

Роль барьера играет вакуумированный зазор между зондом и поверхностью.

При зазоре < 1 нм его с хорошей точностью можно считать свободным от моле-

кул воздуха даже при атмосферном давлении (среднее расстояние между моле-

кулами воздуха при нормальных физических условиях А, ~и0

1/3~ 3 нм, где п0 =

= 2,69 • 1025 м~3 - число Лошмидта).

Хотя STM можно реализовать не только на воздухе, но и в жидкости, наи-

большее применение находят методы, требующие высокого вакуума, поскольку

только в этом случае можно достичь атомного разрешения (при понижении

температуры до нескольких десятков Кельвинов и хорошей виброизоляции при-

бора).

Так как в области зазора волновая функция электрона спадает по экспо-

ненте

(здесь т - масса электрона; Е = eU - его энергия, где е - заряд электрона; U -

приложенное напряжение), то и туннельный ток через зазор экспоненциально

сильно зависит от его величины Az = z\ - z2:__

/, =C/p(£F)exp h

[здесь р(£» - плотность состояний электронов в образце вблизи уровня Фер-

ми Е>].

Для обычных значений высоты барьера W ≪ 5 эВ (что соответствует вели-

чине работы выхода электрона из типичных металлов) туннельный ток падает

примерно на порядок величины при увеличении зазора на 0,1 нм. Столь резкая

зависимость /, =/(Az) и положена в основу работы туннельного микроскопа. За

короткое время удалось достигнуть действительно атомарного разрешения

(1983 г.), что открыло дверь в мир наноструктур широкому кругу специалистов

различных областей.

Наибольшее распространение приобрели две моды STM: с неизменной

высотой сканирования, z — const (рис. 4.12, а) и неизменным туннельным

током, /,= const (рис. 4.12, б). Рассмотрим их работу подробнее.

В первом способе цепи обратной связи отключены и сигналом является ве-

личина туннельного тока I,. Она зависит в первую очередь от топографии по-

верхности - наличия на ней выступов, впадин, царапин, ступенек (в том числе

одноатомных), адсорбированных атомов, вакансий и т.д. Вместе с тем природа

атомов, над которыми проходит кончик зонда, также может повлиять на вели-

чину /,. Поскольку I, зависит от Az экспоненциально, сигнал с зонда усиливается

логарифмическим усилителем, чтобы линеаризовать его по величине зазора, т.е.

по высоте профиля исследуемой поверхности.

Одно из главных преимуществ этой моды - высокая достижимая скорость

сканирования, что в ряде случаев позволяет пронаблюдать динамику изменения

исследуемой структуры во времени. Однако присущие ей недостатки зачастую

сводят на нет это преимущество.

Во-первых, исследуемая поверхность должна быть параллельна траектории

сканирования с очень высокой точностью, чего практически добиться крайне

сложно. Поэтому сначала приходится отсканировать избранный участок "вчер-

не", с включенной обратной связью и установить его усредненный наклон k\ и k2

в направлении х ну соответственно.

Во-вторых, требуется ввести эти наклоны в программу сканирования в виде

функции управления высотой зонда z = zG(k\x + k^y) и отсканировать снова, от-

ключив обратную связь. Но и эта мера не спасает от температурных дрейфов и

других возможных причин медленного изменения положения образца относи-

тельно зонда. В отсутствие обратной связи это может привести к механическому

контакту зонда с поверхностью и его повреждению.

Альтернативной модой STM является такое управление режимом сканиро-

вания, при котором туннельный ток поддерживается неизменным путем непре-

рывного варьирования высоты зонда с помощью цепей обратной связи и испол-

нительного механизма. В качестве последнего обычно служит тот же пьезоак-

туатор, с помощью которого осуществляется сканирование.

Поскольку сигнал приходится обрабатывать электроникой, усиливать, а за-

тем подавать на пьезосканер, обладающий определенной инерцией, цепи обрат-

ной связи необходимо подстраивать под разные объекты, задачи и скорость ска-

нирования индивидуально. Однако такая настройка и мода /,= const в целом да-

ют возможность исследовать наклонные и весьма неровные поверхности, резко

уменьшить влияние механических и электрических дрейфов в приборе, защи-

тить зонд от внезапных столкновений с высокими неровностями.

Разумеется, за все приходится платить, в этом случае - более низкой скоро-

стью сканирования и построения изображения. Типичные примеры получаемых

в STM изображений показаны на рис. 4.13.

Следует иметь в виду, что обе описанные моды STM, строго говоря, чувст-

вительны не к геометрическим особенностям поверхности, а к линиям постоян-

ной плотности электронных состояний вблизи уровня Ферми. Однако в случае

химически однородной поверхности и относительно большого зазора между ней

и зондом сигнал можно интерпретировать как соответствующий топологиче-

ским особенностям объекта в наношкале.

Еще одной важной модой STM является локальная спектроскопия. Оста-

новив зонд в избранной точке и варьируя напряжение на нем, можно получить

вольт-амперную характеристику (ВАХ) перехода, а затем и энергетический

спектр. Из простых рассуждений следует, что плотность состояний в образце

P(eU) = (dI,/dU) /(E/U).

Следовательно, дифференцируя ВАХ (1 или 2 раза), можно сразу перейти к

характеристическим спектрам электрона в исследуемом атоме (молекуле, на

участке поверхности) (рис. 4.14).

Это дает возможность идентифицировать отдельные атомы и молекулы,

определять ширину энергетической щели в сверхпроводящих материалах и др.

Большие возможности таит в себе спин-зависимая спектроскопия по-

верхности в STM. В этом случае используют зонд, кончик которого выполнен из

ферромагнитного материала (например, тонкого слоя напыленного железа).

Допустим, что электрон, локализованный вблизи кончика острия, ввиду

обменного взаимодействия с другими электронами имеет спин, всегда направ-

ленный в одну сторону (т.е. этот электрон поляризован по спину). Тогда харак-

тер его взаимодействия с атомами на поверхности, а следовательно, и вероят-

ность туннелирования будет зависеть от ориентации спинов в атомах исследуе-

мой поверхности.

Туннельный ток /, пропорционален вероятности туннелирования электро-

нов через зазор и вследствие этого он становится зависимым от магнитного со-

стояния (поляризации) спинов в подложке. Кроме туннельного тока можно так-

же использовать эмиссию фотонов, возникающую при рекомбинации по-

разному поляризованных электронов.

Все это вместе взятое дает возможность исследовать магнитную топогра-

фию поверхности на уровне отдельных спинов. Использование спин-зависимых

явлений в различных приборах и технологиях подведомственно сейчас быстро

развивающейся области науки и техники, которая получила название спинтро-

ника. В ней изучают и целенаправленно применяют спин-поляризованные со-

стояния для записи и хранения информации, осуществления логических опера-

ций, модификации молекул путем изменения спина отдельных атомов и групп с

целью изменения кинетики физических и химических процессов.

Существенным недостатком всех методов STM является ограничение по

материалам, пригодным для исследования: они должны быть электропроводя-

щими, так как между зондом и образцом должен протекать ток. Реально тун-

нельная микроскопия может быть применена для исследования металлов, спла-

вов, сверх- и полупроводников.