Главная | Случайная
Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Сканирующая туннельная микроскопия




Аббревиатура: СТМ, часто используется без расшифорвки. По-анлийски: STM (Scanning tunnel microscopy).

Рассмотрим особенности хода волновой функции электронов в двух образцах, которые находятся на малом расстоянии друг от друга. Поверхность металлического образца может быть описана ступенчатым поверхностным барьером. Высота барьера будет равняться работе выхода электрона.

Квантовая механика дает следующее описание для волновой функции электрона в металле в зависимости от координаты

, где k – волновое число, непосредственно связанное с импульсом электрона:

Ф – ∆Е между свободным электроном и электроном в металле.

Полагается, что плотность вероятности нахождения электрона внутри металла равна единице (для большинства веществ), однако один из фундаментальных принципов квантовой механики накладывает требование непрерывности на волновые функции, поэтому непосредственно на границе раздела металл – окружающая среда уравнение Шредингера должно иметь решение, описывающее затухание волновой функции за пределом металлического образца. Поведение электрона на поверхности описывается так же, как и в случае задачи о водородоподобном атоме.

На самом деле вероятность нахождения электрона внутри потенциального барьера, т.е. за пределами образца ненулевая и может быть оценена следующим образом:

Если потенциальный барьер достаточно тонкий, т.е. второй образец может быть подведен к первому на очень малое расстояние, то появляется возможность проникновения электрона во второй образец. Это эквивалентно вероятности переноса электрона, или другими словами, его туннелирования через потенциальный барьер. Движущей силой для такого переноса и регистрации туннельного тока во внешней цепи будет являться небольшое электрическое смещение, т.е. потенциал , приложенный между образцом и находящимся при поверхности образца зондом.

В этом случае вероятность перехода электрона с заполненных уровней образца, лежащих на энергетическом отрезке может быть найден следующим образом:

Это вероятность перехода с каждого из уровней. В целом же, плотность тока

Т.е. суммируются все переходы, которые становятся доступны при наложении соответствующего напряжения.

Для простейшего случая двух металлов:

Для большинства металлов работа выхода близка к 3-4 эВ, поэтому k, которое в нашем случае является уже не волновым числом, а фактором затухания, составляет примерно 1 Å-1. Иначе говоря, туннельный ток спадает в е2 = 7,4 раза при изменении z на 1 Å. Таким образом, туннельный ток оказывается чрезвычайно чувствительным к величине расстояния между зондом и поверхностью. Это должно позволить, перемещая зонд вдоль поверхности, получить представление о её рельефе с атомарным разрешением. На практике поступают наоборот. Зонд подводится непосредственно к поверхности образца, а затем начинает двигаться вдоль поверхности, причем расстояние между поверхностью и зондом непрерывно меняется так, чтобы поддержать туннельный ток на постоянном уровне. Это позволяет исключить втыкание острия зонда в неровности поверхности. Траектория перемещения зонда при этом повторяет поверхностный рельеф.

Метод сканирующей туннельной микроскопии применим исключительно к проводящим образцам, т.е. к металлам и легированным полупроводникам.

Строение микроскопа: 1 – пьезопривод, позволяюший перемещать острие зонда 2 с ангстремной точностью. Пьезопривод представляет собой керамический цилиндр, на поверхность которого напылены электроды. Приложение напряжения к этим электродам при помощи управляющего устройства 4 обеспечивает высоковоспроизводимые деформации пьезокерамики как вдоль координат x, y, так и вдоль координаты z. Величина перемещения вдоль z такова, что обеспечивает поддержание туннельного тока , измеренного с помощью усилителя тока 5, на постоянном уровне. Совокупность профилей поверхности, полученных при её сканировании зондом, даёт трехмерную картину, соответствующую рельефу поверхности.

Сканирование выполняется на воздухе и лишь при необходимости в вакууме. Единственным ограничением является наличие у образца проводимости, позволяющее измерить . Метод был создан в 1986 году, в том же году создатели получили Нобелевскую премию. Из общих соображений, от этого метода нельзя ожидать высокой разрешающей способности. Для иглы радиуса R, находящейся вблизи поверхности,

Даже при радиусе в 100 Å туннельный ток будет падать на порядок уже при 14 Å. Получается, что пятно под реальной иглой достаточно велико и атомарного разрешения ждать не приходится. Тем не менее, уже в первых экспериментах было продемонстрировано пространственное разрешение 2 Å, а в дальнейшем – даже 1 Å. Такое высокое разрешение объясняется тем обстоятельством, что зондирование поверхности осуществляется направленными орбиталями поверхностных атомов, в том числе и атомами с оборванными связями.

Т.е. реально роль зонда выполняет указанная орбиталь. Таким образом, направленность орбиталей обеспечивает значительно больший уровень разрешения, чем можно было бы предположить. Реально часто оказывается, что высокое разрешение достигается после того, как зонд несколько раз утыкается в поверхность образца. Происходящий при этом перенос на поверхность зонда небольшой группы атомов и формирует собственно зондирующее острие. На сегодняшний момент разрешающая способность туннельных микроскопов составляет порядка 1 Å в плоскости поверхности и 0,1 Å по вертикали.

Создание зонда

Сегодня зонды создаются серийным путем при помощи электрохимического метода. По сути, происходит коррозионный процесс. Подвешенный груз обеспечивает разрыв истонченной палочки с образованием двух зондов.

Получаемое изображение не вполне идентично в геометрическом плане. На самом деле мы видим конфигурацию электронного профиля, т.е. пространственное распределение донорных и акцепторных состояний. Как следствие, получаемое изображение может быть неидентичным реальной топографии поверхности. Это в особенности характерно для полупроводников, в то время как в случае металлов сходство между полученным изображением и реальным поверхностным рельефом существенно выше. Исключение могут составлять отдельные атомы или группы атомов разных элементов на металлической подложке. В некоторых случаях такие атомы или группы атомов могут проявляться как углубления, а не как поднятия, хотя они должны реально проявляться именно так.

Предположим, указанная структура получена путем скола в вакууме. Она быстро димеризуется, что приводит к снижению поверхности. Если приложить к зонду напряжение в -1,6 В, то изображение будет иметь такое вид, и в нем будут видны связи между димерами, имеющие заполненные орбитали. Если выбрать напряжение в +1,6 В[2], то картинка изменится. Теперь она будет отображать области локализации акцепторных состояний, соответствующих неспаренным оборванным связям.

Калибровка метода СТМ осуществляется с использованием атомарно гладких поверхностей с известной (из данных рентгеновской дифракции) структурой. Это плоскости графита и других проводящих поверхностей.

Именно на атомарно гладких поверхностях и достигается атомарное разрешение, поскольку на реальных поверхностях наличие рельефа на микро- и наноуровнях может препятствовать выполнению измерений с атомарным разрешением.

В целом, на практике площадки сканирования это 1-4 мкм2 и в редких случаях 250х250 нм.

Как правило, туннельный ток это 1 нА, напряжение 1-2 В, расстояние между зондом и поверхностью порядка 0,5 нм.






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2020 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных