Сканирующий туннельный микроскоп

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) (англ. Scanning tunneling microscope)-система образец + игла, к которым приложена разность потенциалов. Электроны из образца туннелируют (просачиваются) на иглу, создавая таким образом туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. В процессе сканирования игла движется вдоль образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, а удлинение следящей системы меняется в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот. Ограничения на использование метода накладываются, во-первых, условием проводимости образца (поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/см²), во-вторых, условием «глубина канавки должна быть меньше её ширины», потому что в противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей. Но это только основные ограничения. На самом деле их намного больше. Например, технология заточки иглы не может гарантировать одного острия на конце иглы, а это может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков. Кроме ситуации глубокого вакуума, во всех остальных случаях мы имеем на поверхности осаждённые из воздуха частицы, газы и т. д. Технология грубого сближения также оказывает колоссальное влияние на достоверность полученных результатов. Если при подводе иглы к образцу мы не смогли избежать удара иглы о поверхность, то считать иглу состоящей из одного атома на кончике пирамиды будет большим преувеличением. Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике, а электронное туннелирование с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления СТМ (как и контактная спектроскопия). Все это делает СТМ уникальным микроскопом, который не содержит линз (а значит, изображение не искажается из-за аберраций), энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопии высокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов. СТМ был изобретен в начале 1980-х годов Гердом Биннигом и Генрихом Рорером, которые в 1986 году за это изобретение получили Нобелевскую премию по физике. В СССР первые работы по этой тематике появились в конце восьмидесятых.

Принцип действия СТМ

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа:

а) рx , рy , рz - пьезоэлементы; - туннельный вакуумный промежуток между острием-зондом и образцом; It - туннельный ток;

б) Схема, иллюстрирующая работу СТМ. Туннельный ток, возникающий при приложении напряжения Vs , поддерживается постоянным за счет цепи обратной связи, которая управляет положением острия с помощью пьезоэлемента рz . Запись осциллограммы напряжения Vz в цепи обратной связи при одновременном воздействии пилообразного напряжения развертки вдоль осей x и y образует туннельное изображение, являющееся своего рода репликой поверхности образца

Тезаурус:

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) (Scanning tunneling microscope)

Тематический раздел (поле):  Наноэлектроника, Нанобиотехнологии, Наноинженерия, Функциональные наноматериалы, Композиционные наноматериалы, Конструкционные наноматериалы

Функциональный разряд:  Объект

Аскрипторы:  Туннельная микроскопия, сканирующая микроскопия

Отношения иерархические (род-вид):  Сканирующий туннельный микроскоп → Сканирующие туннельные методы → Методы диагностики наноструктур и наноматериалов → Получение, диагностика и сертификация наноразмерных систем

Отношения ассоциативные:  Сканирующий туннельный микроскоп ~ Микроскоп, Туннельный ток, Разность потенциалов, Игла, Зонд, Сканирование

Литература по теме:

1. G. Binnig, H. Rohrer. Scanning tunneling microscopy IBM Journal of Research and Development 30,4 (1986)
2. C. Bai. Scanning tunneling microscopy and its applications Springer Verlag, 2nd edition, New York (1999)
3. C. Julian. Chen Introduction to Scanning Tunneling Microscopy(1993)
4. A. Bonnell and B. D. Huey. Basic principles of scanning probe microscopy from Scanning probe microscopy and spectroscopy: Theory, techniques, and applications 2nd edition Ed. By D. A. Bonnell Wiley-VCH, Inc. New York (2001)
5. J. Bardeen. Tunneling from a many particle point of view. Phys. Rev. Lett. 6,2 57-59 (1961)
6. K. Oura, V. G. Lifshits, A. A. Saranin, A. V. Zotov, M. Katayama. Surface science: an introduction Springer-Verlag Berlin (2003) R. Wiesendanger, I. V. Shvets,
7. D. Bürgler, G. Tarrach, H.-J. Güntherodt, J.M.D. Coey. Recent advances in spin-polarized scanning tunneling microscopy. Ultramicroscopy 42-44 (1992)
8. R. Young, J. Ward, F. Scire. The Topografiner: An Instrument for Measuring Surface Topography. Rev. Sci. Instrum. 43, 999 (1972)