Перемещение атомов вдоль поверхности

В зависимости от используемого типа взаимодействия между иглой и образцом, выделяют два режима перемещения атомов вдоль поверхности:

· Перемещение под действием межатомных сил;

· Перемещение под действием электростатического поля.

Перемещение под действием межатомных сил. Когда игла СТМ приближается к адатому на поверхности, между иглой и адатомом действует притяжение за счет взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Взаимодействие возрастает с уменьшением расстояния между иглой и адатомом. В результате они наиболее слабо связанны с остальными атомами поверхности. Когда игла приближается к адатому на достаточное расстояние, то между ним и иглой возникает связь, за счет которой адатом может быть перемещен в нужное место поверхности. Это иллюстрируется на рис. 5.10 при помощи кривых потенциальной энергии. На рис. 5.10, б показана энергия адатома как функция координаты вдоль нормали к поверхности для различных расстояний между иглой и образцом. Потенциальная энергия как функция координаты вдоль поверхности в отсутствие (пунктирная линия) и в присутствии (сплошная линия) иглы показана на рис. 5.10, в.

 

 

Рис. 5.10. Иллюстрация взаимодействия Ван-дер-Ваальса между иглой СТМ и адатомом Хе на поверхности Ni (110): а – атомное строение иглы и образца, используемое в расчетах; б – энергия как функция вертикального расстояния от поверхности до набора расстояний от иглы до образца; в – энергия как функция латерального перемещения вдоль поверхности образца. Кривые энергии в отсутствие иглы показаны пунктирной линией, в присутствии иглы сплошной линией [29]

 

В отсутствии иглы СТМ и других объектов вблизи от поверхности, каждый атом этой поверхности находится в периодическом потенциале с неглубокими минимумами. Приближение иглы вплотную к поверхностному слою приводит к появлению глубокого минимума, обусловленного действием силы Ван-дер-Ваальса. В результате этого адатом фиксируется на участке под острием иглы. Если игла движется вдоль поверхности, на одном и том же расстоянии до образца, то адатом будет следовать за иглой. Когда адатом оказывается в нужном месте, то игла отводится от поверхности, оставляя адатом в этой точке. Последовательные стадии этого перемещения под действием атомных сил схематически показаны на рис. 5.11.

Для того чтобы перемещение под действием межатомных сил было воспроизводимым и надежным, необходимо выполнение ряда условий.

· Во-первых, требуется, чтобы амплитуда потенциального рельефа была достаточно большой, чтобы можно было наблюдать адатом в СТМ, не вызывая его непреднамеренное перемещение, и в то же время, достаточно малой, чтобы можно было перемещать адатом, когда игла подведена к нему достаточно близко.

· Во-вторых, для того, чтобы адатом в ходе перемещения оставался связанным с поверхностью, диффузионные барьеры должны быть меньше энергии связи адатома с поверхностью (энергии десорбции).

· В-третьих, для того, чтобы сохранить нужное расположение адатомов, тепловое движение должно быть подавлено охлаждением образца до низких температур.

Наиболее полно удовлетворяют этим требованиям поверхности металлов с мелким потенциальным рельефом. Впервые возможность формировать из отдельных атомов заданные простые структуры была продемонстрирована Эйглером и Швейцером в 1990 году на примере атомов Хе на поверхности Ni (110) при 4 К [5.7] (рис. 5.12). Атомы Хе на поверхности Ni (110) характеризуются энергией связи ~250 мэВ и высотой барьера для диффузии вдоль направления плотной упаковки ~20 мэВ.

Другой наглядный пример – это создание так называемого квантового «загона» (quantum corral) – окружности радиуса ~ 71 Å, выстроенной из
48 атомов Fe на поверхности Cu (111) (рис. 5.13). Квантовый «загон» действует как двумерная яма цилиндрической формы для электронов поверхностных состояний. Круговые волны, видимые на СТМ изображении внутри «загона» – это стоячие электронные волны, существование которых предсказывает решение уравнений Шредингера для этих граничных условий.

 

Рис. 5.12. Квазитрехмерное СТМ изображение атомов Хе (имеющие вид выпуклостей высотой 1,6 Å), образующие на поверхности Ni (110) слово «IBM». Атомы Хе выстроены с помощью метода перемещения адатомов под действием межатомных сил. Высота каждой буквы 50 Å [31]

 

 

Рис. 5.13. Набор последовательных СТМ изображений, иллюстрирующих процесс образования «квантового загона» из 48 атомов Fe, адсорбированных на поверхности Cu (111) [32]

 

Основным параметром, характеризующим особенности атомных манипуляций с помощью межатомных сил для данной системы, является пороговое расстояние от иглы до поверхности. Выше порога взаимодействие между иглой и адатомом слишком слабое, чтобы обеспечить возможность манипуляций. Ниже порога взаимодействие достаточно для перемещения адатома. Так как абсолютная величина зазора от иглы до поверхности не может быть определена точно, то более удобно выражать ее в терминах сопротивления туннельного перехода: более высокое сопротивление соответствует большему зазору, следовательно, более слабому взаимодействию между иглой и образцом. Было измерено, что пороговое сопротивление составляет 5 МОм для перемещения атомов Хе вдоль атомных рядов поверхности Ni (110), 200 кОм для перемещения атомов Fe по поверхности Cu (111) и молекул СО по поверхности Pt (111) и 20 кОм для перемещения адатомов Pt по поверхности Pt (111). Можно сделать вывод, что поверхностное сопротивление демонстрирует явную тенденцию к уменьшению по мере увеличения энергии связи адсорбата с подложкой, то есть большая сила требуется для перемещения адсорбата, который прочнее связан с поверхностью.

Перемещение под действием поля. Электростатическое поле, создаваемое в промежутке между иглой и образцом приложением разности потенциалов, также может быть использовано для манипулирования атомами. Это поле весьма неоднородно и сконцентрировано под острием иглы. В случае хемосорбции, связь адсорбата с подложкой, как правило, сопровождается переносом заряда и образованием статического диполя с дипольным моментом р ₀. Кроме этого, под действием электростатического поля Е может возникнуть наведенный диполь a Е, где a – поляризуемость адсорбата. Таким образом, дипольный момент адсорбированного атома в электрическом поле можно записать в виде (ограничиваясь членом первого порядка по Е):

 

р = р ₀ + a Е + …. (5.14)

 

В этом случае, энергия атома как функция координаты имеет вид:

 

U (r) = – p ₀ × E (r) – a E ²(r) + …. (5.15)

 

Поскольку поле неоднородное, то адсорбат будет испытывать действие градиента потенциала и на него будет действовать сила. Если второй член (обусловленный поляризуемостью) преобладает, то адсорбат будет всегда втягиваться в область под острием иглы независимо от полярности приложенного напряжения. Это естественное следствие того, что наведенный диполь всегда ориентирован по направлению поля и поэтому движется в сторону области с максимальной напряженностью поля (рис. 5.14, а). Когда доминирует второй член (обусловленный статическим диполем), ориентация диполя остается неизменной и, следовательно, направление движения адсорбата меняется при смене полярности приложенного напряжения, как показано на рис. 5.14.

 

 

Рис. 5.14. а – когда диполь адсорбата ориентирован вдоль направления поля, адсорбат втягивается в область под иглой (т. е. в область с максимальной напряженностью поля); б – когда диполь адсорбата ориентирован против поля, адсорбат выталкивается из области под иглой

 

Перемещение под действием поля атомов In на поверхности Si (111) – это пример доминирования статического диполя. На рис. 5.15 приведены результаты этих атомных манипуляций. В эксперименте атомы In образовывали одну из двух фаз: -In с покрытием 0,33 МС In и 2´2-In с покрытием 0,75 МС In. Менее «плотная» фаза -In выглядит на СТМ изображениях темнее по сравнению с более «плотной» фазой 2´2-In. На рис. 5.15, а центральная область СТМ изображения участка поверхности 400´400 Ų занята фазой -In, яркая область в нижней части изображения соответствует массиву фазы 2´2-In, а темная область в верхней части рисунка – более низкой атомной террасе.

Когда игла подводится к месту, помеченному белой точкой, и к ней прикладывается отрицательное напряжение U_t = – 2,0 В, атомы In притягиваются в область под иглой, где образуют островок плотной фазы 2´2-In (рис. 5.15, б). На рис. 5.15, в и г проиллюстрирован обратный процесс. Когда положительное напряжение U_t = + 2,0 В прилагается к игле, расположенной в центре обширной области, занятой плотной фазой 2´2-In (рис. 5.15, в), атомы In выталкиваются из участка под иглой, и там образуется «дырка», занятая менее плотной фазой -In (рис. 5.15, г).

Необходимо заметить, что по сравнению с перемещением атомов за счет межатомных сил атомные манипуляции с помощью поля обеспечивает худшее пространственное разрешение, так как напряженность электрического поля спадает достаточно медленно с расстоянием от острия иглы. Например, на рис. 5.15, а и б можно видеть, что атомы In были перемещены с расстояния около 200 Å, на что указывает исчезновение «полуострова» фазы 2´2-In около нижнего левого угла СТМ изображения.

 

Рис. 5.15. Перемещение атомов In на поверхности Si (111) под действием поля иглы СТМ: а – игла помещается под местом, помеченным белой точкой, на участке, покрытом фазой -In (0,33 МС In), и к игле на 5 секунд прикладывается отрицательное напряжение U_t = – 2,0 В. б – притяжение атомов In в область под иглой приводит к локальному увеличению покрытия In до 0,75 МС и образованию островка фазы 2´2-In. в – игла помещается под местом, помеченным белой точкой, на участке, покрытом фазой 2´2-In (0,75 МС In), и к игле на 10 секунд прикладывается положительное напряжение U_t = + 2,0 В. г – атомы In выталкиваются из области под иглой, и в результате локального уменьшения покрытия In образуется «дырка», занятая фазой -In. Фаза 2´2-In выглядит более светлой, фаза -In более темной. Масштаб всех СТМ изображений 400´400 Ų [34]