СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП

СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП

- прибор для изучения поверхноститвёрдых электропроводящих тел, основанный на сканировании металлич. остриянад поверхностью образца на расстоянии . Такое расстояние достаточно мало для туннелирования электронов черезконтакт, т. <е. для протекания туннельного тока j1-10 нА между остриём и образцом, при разности потенциалов V междуними от единиц мВ до неск. В (в зависимости от материалов электродов ицелей). При этом цепь обратной связи поддерживает значение j постоянным, <соответственно изменяя z. Синхронная со сканированием запись сигнала обратнойсвязи V_z (на двухкоординатном самописце - в виде кривых, <на экране телевиз. трубки - в виде карты и т. п.) представляет собой увеличеннуюзапись профиля поверхности постоянного туннельного тока j(x, у). Онасовпадает с геом. поверхностью образца S(x, у), если высота потенц. <барьера (работа выхода )электронов одинакова по всей поверхности S, поскольку , где .В ином случае распределение может быть получено путём модуляции расстояния на частоте, более высокой, <чем полоса пропускания цепи обратной связи и измерения возникающей на этойчастоте модуляции j, амплитуда к-рой пропорциональна Т. о., в результате сканирования острия над участком исследуемой поверхностиполучаются одновременно её профиль S(x, у )и распределение работывыхода

С. т. м. изобретён Г. Биннингом и Г. Рорером в 1982 [1]. Увеличениеего определяется отношением размеров записи кадра (на бумаге или экранетрубки) к размерам сканируемого участка поверхности, последние могут составитьот единиц до десятков мкм. Разрешающая способность микроскопа по х, у достигает~ 1,а по z порядка 0,01.Прибор может работать в вакууме, газе или жидкости, поскольку z имеет величинупорядка межатомных расстояний в жидкости. Выбор среды определяется конкретнойзадачей, прежде всего условиями подготовки и поддержания чистоты (или сохранности)образца. Малая величина l и низкая энергия туннелирующих электронов исключаютопасность повреждения образца током. Длительность записи одного кадра от~ 0,03 с до 30 мин.

Рис. 1. Схема устройства туннельного микроскопа: V_z -напряжение обратной связи, регулирующее величину z: пунктир - траекторияострия, записываемая регистрирующей системой при движении острия над линиейL;- сглаженнаязапись ступеньки; В - запись участка С с пониженной работой выхода;- модуляция r с целью определения работы выхода.

Схема устройства С. т. м. приведена на рис. 1. Пьезоэлектрич. пластины Р _х,Р _у, Р _z свободными концами (вне рис. 1) закрепленына станине прибора и при приложении к ним электрич. напряжения двигаютостриё вдоль соответствующей координаты за счёт собств. деформации (пьезодвигатели).Устройства сближения образца и острия до малого расстояния, перекрываемогопьезодвигателем, осуществлены в разл. вариантах [2]. Блок-схема туннельногомикроскопа приведена на рис. 2.

Атомная структура поверхности свежего скола монокристалла графита (долгоостающегося чистым на воздухе) часто служит в качестве тест-объекта (рис.3). Это фотография экрана телевиз. трубки, представляющая собой результатсканирования образца, при к-ром сигнал обратной связи V_z модулирует яркость пятна, перемещающегося по кадру. Светлые пятна -атомы С, выступающие над ср. плоскостью поверхности, тёмные места - углублениямежду ними.

Рис. 2. Блок-схема туннельного микроскопа: У - усилитель туннельноготока; ОС - схема обратной связи; Д - пьезодвигатель острия; РО - устройстворегистрации и обработки данных.

Рис. 3. Атомная структура поверхности ориентированного пиролитическогомонокристалла графита.

Одно из первых исследований - изучение реконструиров. структуры поверхности(111) монокристалла Si: на рис. 4 границы элементарной ячейки (7 X 7) показаныромбом, одна сторона к-рого лежит на ступени высотой в один слой атомов[3, 4]. При меньшей разрешающей способности (~10 )можно изучать состояние поверхности образца на участках большего размера;на рис. 5 показан записанный на двухкоординатном самописце профиль обработаннойповерхности (100) кристалла Si (применённого в МДП-структуре дляисследования квантового Холла эффекта[5]).

Рис. 4. Атомная структура реконструированной поверхности (111) монокристаллаSi.

Рис. 5. Поверхность (100) монокристалла Si, обработанная по высшемуклассу точности.

Успех С. т. м. вызвал появление аналогичных методов исследования поверхностейпосредством электрич., световых и др. датчиков. Среди них наиб. интересен сканирующийатомно-силовой микроскоп, основанный на измерении сил, действующихна микроскопия, алмазное остриё, находящееся на расстоянии ~ 3-110от поверхности образца (к-рый может быть диэлектриком); остриё укрепляетсяна чувствит. пружине, деформации к-рой измеряются при помощи С. т. <м. [2].

Наиб. важные области применения С. т. м.: исследования атомного строенияповерхностей, металлических, сверхпроводящих и полупроводниковых структур, <явлений адсорбции, и поверхностных хим. процессов, структуры молекули биол. объектов, технол. исследования в области микро- и субмикроэлектроники, <плёночных покрытий и обработки поверхностей; применение С. т. м. как инструментаобработки поверхностей в субмикроскопич. масштабе и т. д.

Лит.:1) Binning G., Rohrer H., Scanning tunneling microscopy,«Helv. Phys. Acta», 1982, v. 55, № 6, p. 726; 2) Э д е л ь м а н В. С.,Сканирующая туннельная микроскопия, «ПТЭ», 1989, № 5, с. 25; егоже, Развитие сканирующей туннельной и силовой микроскопии, «ПТЭ», 1991,№ 1, с. 24; 3) X а й к и н М. С. и др., Сканирующие туннельные микроскопы,«ПТЭ», 1987, № 4, с. 231; 4) В е с k e r R. S. и др., Tunneling imagesof atomic steps on the Si (111) 7 x 7 surface, «Phys. Rev. Lett.», 1985,v. 55, № 19, p. 2028; 5) X а й к и н М. С. и др., Сканирующая туннельнаямикроскопия границы раздела Si - SiO₂ в МДП-структуре, «Письмав ЖЭТФ», 1986, т. 44, . № 4, с. 193. М. С. Хайкин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.