сканирующая туннельная микроскопия

Термин

сканирующая туннельная микроскопия

Термин на английском

scanning tunneling microscopy

Синонимы

Аббревиатуры

СТМ, STM

Связанные термины

атомно-силовая микроскопия, манипуляция атомами, "квантовый загон", литография, микроскоп, микроскопия, нанотехнология, поверхность, сканирующая туннельная спектроскопия, зонд, сканирующая зондовая микроскопия, микроскопия зондовая, режимы измерений на СТМ, модель поверхности Si(111)7x7

Определение

Один из методов зондовой микроскопии, в котором анализируют плотность состояний атомов поверхности с помощью измерения туннельного тока. Предназначен для исследования поверхности проводящих веществ и материалов на атомном уровне и для формирования трехмерного изображения поверхности. Метод является также одной из нанотехнологий, позволяющих создавать на поверхности вещества (материала) искусственные наноструктуры путем перемещения отдельных атомов.

Описание

Метод был изобретен в начале 1980-х годов Гердом Биннигом (Gerd Binnig) и Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer), которые в 1986 году за это изобретение получили Нобелевскую премию по физике. Латеральное разрешение (вдоль поверхности) достигает 0.1 нм, а нормальное к поверхности – 0.01 нм. Метод может быть использован не только в условиях сверхвысокого вакуума, но и на воздухе, в газах и в жидкости, а также при температурах, начиная от долей градуса Кельвина и почти до 1000 K.

Метод сканирующей туннельной микроскопии основан на квантовом туннелировании. Иглы-зонды обычно изготавливают из металлической проволоки (например, W, Pt-Ir, Au). Процедура подготовки атомарно острой иглы включает в себя предварительную обработку иглы ex situ (такую как механическая полировка, скол или электрохимическое травление) и последующую обработку in situ в сверхвысоковакуумной (СВВ) камере. Острая игла микроскопа помещается настолько близко к исследуемой поверхности, что волновые функции наиболее близкого атома иглы и атомов поверхности образца перекрываются. Это условие выполняется при величине промежутка игла-образец 0.5-2.0 нм. Если приложить напряжение между иглой и образцом, то через промежуток потечет туннельный ток.

Сканирование поверхности ведется тонким металлическим зондом, на конце которого в предельном случае может находиться всего один атом. Пьезоэлектрические устройства подводят иглу-зонд к поверхности исследуемого электропроводящего объекта. Пьезоэлектрические двухкоординатные манипуляторы перемещают зонд вдоль поверхности образца, формируя растр так, как это делается в электронном микроскопе. При этом параллельные строки растра отстоят друг от друга на доли нанометра. Зонд двигается вверх и вниз в соответствии с рельефом поверхности благодаря механизму обратной связи, который улавливает начинающееся изменение туннельного тока и изменяет напряжение, прикладываемое к третьему манипулятору. Третий манипулятор передвигает зонд по вертикали таким образом, чтобы величина туннельного тока не менялась, т. е. чтобы зазор между зондом и объектом оставался постоянным. По изменению напряжения компьютер строит трехмерное изображение поверхности. Разрешающая способность микроскопа достигает атомного уровня, т. е. могут быть видны отдельные атомы, размеры которых составляют ~0.2 нм.

С помощью СТМ, приложив несколько большее, чем при сканировании, напряжение между поверхностью объекта и зондом, можно добиться того, что к зонду притянутся один или несколько атомов, которые можно поднять и перенести на другое место. Прикладывая к зонду определенное напряжение, можно заставить атомы двигаться вдоль поверхности или отделить несколько атомов от молекулы.

Авторы

• Гусев Александр Иванович, д.ф.-м.н.
• Саранин Александр Александрович, д.ф.-м.н.

Ссылки

1. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. Изд. 2-е, исправленное и до-полненное - М.: Наука-Физматлит, 2007 - 416 с.
2. Введение в физику поверхности: Пер. с англ. / Оура Кендзиро, Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. - М. Наука, 2006. - 490 с.

Иллюстрации

	Точная копия первого сканирующего туннельного микроскопа Г. Биннига и Г. Рорера (оригинал не сохранился)
	Атомная структура треугольных нанокластеров MoS2 на поверхности Au(111) золотой подложки. Источник: изображение методом СТМ получил Mr. Jakob Kibsgaard (University of Aarhus, Denmark, предоставлено http://www.icmm.csic.es/spmage/

Теги

зондовая микроскопия

Разделы

Зондовые методы микроскопии и спектроскопии: атомно-силовая, сканирующая туннельная, магнитно-силовая и др.
Использование наноманипуляторов и зондов
Методы диагностики и исследования наноструктур и наноматериалов
Методы нанесения элементов наноструктур и наноматериалов
Технология
Наука

(Источник: «Словарь основных нанотехнологических терминов РОСНАНО»)