Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)

Сканирующей Зондовой Микроскопии являются Герд Биннинг и Генрих Рорер –

сотрудники Исследовательского отдела фирмы IBM, Цюрихская научная лаборатория, Рюмликон, Швейцария.

полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера.

ток протекает практически только между крайними атомами острия и поверхностью,

в идеальном случае – между определенной орбиталью атома на вершине острия и образцом. Это обеспечивает малую ширину канала, по которому протекает ток и, таким образом, хорошее поперечное разрешение (порядка атомных размеров).
Второе острие, показанное на рисунке, отодвинуто от поверхности на расстояние, примерно соответствующее двум атомам. Сквозь него протекает в миллион раз более слабый ток.

Туннельная проводимость экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния между поверхностями. В вакууме проводимость уменьшается примерно в 10 раз при увеличении расстояния на 1 Å.

находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который

локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия.

СТМ

АСМ

- микрометрический винт;
3 - подсветка;
4 - основание;
5 -

видеокамера;
6 - держатель зонда.

Установки для травления зондов

Схема

Модель четырехступенчатой структуры зонда

– погружение вольфрамовой заготовки зонда; б, в, г, и д

– травление 1-й, 2-й, 3-й и 4-й ступеней, соответственно; е – падение отрывающейся части заготовки, травление завершено

а б в г д е

Метод ступенчатой вытяжки зонда

для СТМ
При перерезании происходит пластическая деформация проволоки в месте резки

и обрыв под действием растягивающего усилия Р. В результате в месте разреза формируется вытянутое острие с неровным (рваным) краем с многочисленными выступами, один из которых и оказывается рабочим элементом СТМ зонда.

– термокомпенсирующая
пьезотрубка, служащая рабочим элементом шагового пьезодвигателя; 4 – металлический

зонд;
5 – образец; 6 – цилиндрический держатель образца

Наиболее важное требование для СТМ - высокая помехозащищенность. Это обусловлено большой чувствительностью туннельного промежутка к внешним вибрациям, перепадам температуры, электрическим и акустическим помехам.

величины туннельного тока с помощью системы обратной связи. При этом

вертикальное смещение сканера (сигнал обратной связи) отражает рельеф поверхности

Метод постоянного туннельного тока

При использовании Метода Постоянной Высоты сканер СТМ перемещает зонд только в плоскости, так что изменения тока между острием зонда и поверхностью образца отражают рельеф поверхности. Поскольку по этому методу нет необходимости отслеживать зондом расстояние до поверхности образца, скорости сканирования могут быть более высокими. Поэтому данный метод может быть применен к образцам с очень  ровной поверхностью, поскольку неоднородности поверхности выше 5-10 А будут приводить к разрушению кончика зонда

Метод постоянной высоты

выхода поверхности
I ~ exp(-2kz)
Туннельный ток экспоненциально затухает с

расстоянием зонд-образец как

При отображении локальной высоты барьера измеряем чувствительность туннельного тока к вариациям расстояния зонд-образец в каждом пикселе СТМ изображения. Получаем видимую высоту барьера U, определяемой выражением:

U= 0,95(1/I)2(dI/dz)2

Эта величина U обычно сравнивается со средней работой выхода Uav = (Us + Ut )/2, где Ut и Us являются работами выхода материала зонда и образца соответственно. Известно, величина U близка к локальному поверхностному потенциалу (локальной работе выхода) и является хорошей мерой его. 

зонд-поверхность образца его величина зависит не только от высоты барьера

но также и от плотности электронных состояний.   Соответственно получаемые в СТМ изображения являются не просто изображениями рельефа  поверхности образца, на эти изображения может сильно влиять  распределение плотности электронных состояний по поверхности образца.

Пример ВОПГ – видно каждый второй атом

в различных точках поверхности, что позволяет судить о локальной проводимости

образца и изучать особенности локальной плотности состояний в энергетическом спектре электронов.

на поверхность Si(100), покрытую тонким слоем SiO2

в результате самоорганизации осажденных атомов Al

Каждый кластер состоит из

шести атомов Al (желтые кружки) и трех атомов Si (голубые кружки)

поверхность Si(111)

из золота, полученные с помощью сканирующего туннельного микроскопа