Сканирующая туннельная микроскопия

Исторически первым в семействе зондовых микроскопов появился сканирующий туннельный микроскоп. Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле.

В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояния в несколько ангстрем. При этом образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер, величина которого определяется, в основном, значениями работы выхода электронов из материала зонда φ_p и образца φ_s. При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой, равной средней работе выхода материалов:

 

. (4.2)

 

Как известно из квантовой механики, вероятность туннелирования электрона (коэффициент прохождения) через одномерный барьер прямоугольной формы равна

 

, (4.3)

 

где А ₀ – амплитуда волновой функции электрона, движущегося к барьеру; А_t – амплитуда волновой функции электрона, прошедшего сквозь барьер;
k – константа затухания волновой функции в области, соответствующей потенциальному барьеру; ∆ Z – ширина барьера. Для туннельного контакта двух металлов константу затухания можно представить в виде

 

, (4.4)

 

где m – масса электрона, φ^* – средняя работа выхода электрона, h – постоянная Планка. При приложении к туннельному контакту разности потенциалов V между зондом и образцом появляется туннельный ток.

В процессе туннелирования участвуют, в основном, электроны с энергией в окрестности уровня Ферми E_F. В случае контакта двух металлов выражение для плотности туннельного тока (в одномерном приближении) было получено в виде

 

, (4.5)

 

где параметры j ₀ и A задаются выражениями:

 

, .

 

При условии малости напряжения смещения (eV <φ), выражение для плотности тока можно представить в более простом виде. Линеаризуя вторую экспоненту в выражении (4.5) по параметру eV, получаем

 

. (4.6)

 

Наконец, пренебрегая членом eV по сравнению с φ^*, выражение для плотности тока можно записать следующим образом:

 

. (4.7)

 

Поскольку экспоненциальная зависимость очень сильная, то для оценок и качественных рассуждений часто пользуются упрощенной формулой

 

, (4.8)

 

в которой величина j ₀(V) считается не зависящей от расстояния зонд-образец. Для типичных значений работы выхода (φ ~ 4эВ) значение константы затухания , так что при изменении ∆ Z на ~Å величина тока меняется на порядок. Реальный туннельный контакт в СТМ не является одномерным и имеет более сложную геометрию, однако основные черты туннелирования, а именно экспоненциальная зависимость тока от расстояния зонд-образец, сохраняются также и в более сложных моделях, что подтверждается экспериментально.

Для больших напряжений смещения (eV >φ^*) из выражения (4.5) получается хорошо известная формула Фаулера-Нордгейма для полевой эмиссии электронов в вакуум:

 

. (4.9)

 

Экспоненциальная зависимость тока от расстояния (4.9) позволяет осуществлять регулирование расстояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. СТМ представляет собой электромеханическую систему с отрицательной обратной связью. Система обратной связи поддерживает величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне (I ₀), выбираемом оператором. Контроль величины туннельного тока, а следовательно, и расстоянием зонд-поверх­ность осуществляется посредством перемещения зонда вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента (рис. 4.4).

Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя способами. В режиме постоянного туннельного тока (рис. 4.5, а) зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое ска­нирование; при этом изменение на­пряжения на Z-электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции , а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности в режиме постоянной высоты Z =const. В этом случае перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (рис. 4.5, б). Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдения за изменениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени.

 

Рис. 4.5 Формирование СТМ изображений поверхности в режиме постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния (б)

 

Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающий над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.

С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до атомарного, что продемонстрировано многими исследовательскими группами на образцах из различных материалов.