Физические явления на границе «острие—поверхность»

Туннельный ток

Туннельный эффект представляет собой физическое явление проникновения микрочастиц сквозь энергетические барьеры, величина которых превосходит собственную энергию микрочастиц.

С помощью туннельного эффекта объясняются такие физические явления, как холодная эмиссия электронов из металлов в сильном электрическом поле, распад радиоактивных ядер, протекание электрического тока через тонкие диэлектрики, туннельные токи в сверхпроводниках и многое другое.

В настоящее время явление туннелирования электронов широко используется в спектроскопии элементарных возбуждений металлов, в биофизике, химии, экспериментальной физике.

Вакуумное туннелирование — явление прохождения тока через контакт двух проводников, разделенных вакуумным зазором.

Обычно это — металлический зонд в виде остро заточенной иглы и поверхность исследуемого вещества (рис. 7. I). В первых экспериментах использовались вольфрамовые иглы и платиновые пластины. В дальнейшем круг исследуемых поверхностей существенно расширился.

Рис. 7.1. Исследование туннельного тока в промежутке «игла—поверхность»:

1 — игла; 2 — поверхность;

W. L, d— геометрические параметры зонда;

R — резистор операционного усилителя Коэффициент прохождения D частиц массой М с энергией Е через потенциальный барьер высотой Ф и шириной d определяется соотношением:

Туннельный ток через вакуумный зазор шириной d определяется следующей зависимостью:

/8Л/ ½ I.

где А =./—— = 1,025 эВ • А', Ф — средняя работа выхода веществ острия и поверхV h

Коэффициент прохождения D частиц массой М с энергией Е через потенциальный барьер высотой Ф и шириной d определяется соотношением:

Туннельный ток через вакуумный зазор шириной d определяется следующей зависимостью:

ности. Из формулы (7.1) следует, что изменение величины D на несколько ангстрем, т. е. на величину моноатома, приводит к изменению туннельного тока на три порядка. Именно такая резкая зависимость туннельного тока от величины вакуумного зазора позволяет получить сверхвысокое разрешение. При этом величина напряжения на зазоре поддерживается постоянной.

На рис. 7.2 приведена зонная диаграмма туннельного контакта двух проводников и огибающие волновые функции электронов в металле и барьере в приближении эффективной массы.

Рис. 7.2. Зонная диаграмма туннельного контакта двух проводников.

где значение величины Ф = —- * ^ является усредненной работой выхода, а напряже ние на зазоре V «Ф/е.

На рис. 7.3 приведена зависимость величины туннельного тока от величины зазора. Величина зазора сравнима с величиной межмолекулярных расстояний и длиной пробега атомов в воздухе. Поэтому можно считать, что туннельный ток в зазоре протекает как в условиях вакуума. Напряженность электрического поля в зазоре достигает значений ~10⁶ В/см.

Если с помощью обратной связи туннельный ток, а, следовательно, сопротивление R поддерживать постоянным, то напряжение будет меняться в соответствии с рельефом поверхности. В этом случае можно получить информацию о топографии поверхности при условии постоянства работы выхода.

Разрешающая способность индикации поверхности зондом с радиусом закругления г определяется соотношением:

где г измеряется в ангстремах.

В потенциальном барьере волновая функция электронов затухает экспоненциально и туннельное сопротивление R зазора оказывается очень чувствительно к изменению d:

Рис. 7.3. Зависимость туннельного тока от величины зазора.

Заметим, что для получения высокого разрешения необходимо, чтобы кончик иглы состоял из 1—2 атомов. Ясно, что высокое разрешение 5 можно получить при использовании острия с радиусом закругления г< 100 А. Это является типичным размером игл для эмиссионных микроскопов.

Существует два основных режима исследования поверхности: режим постоянного тока и режим постоянного положения пьезотрубки.

В режиме постоянного тока J= const, т. е. величина туннельного тока поддерживается постоянной в процессе сканирования поверхности. В этом случае топология исследуемой поверхности будет пропорциональна амплитуде напряжения сигнала подаваемого на пьезодатчик (рис. 7.4, а).

В этом случае высота неоднородности на поверхности будет пропорциональна изменению положения зонда при условии поддержания постоянного значения туннельного тока.

Рис. 7.4. Методы исследования поверхности: режим постоянного тока (а); режим постоянного неподвижного зонда (б).

В режиме постоянного положения пьезотрубки Z- const (рис. 7.4, б). В этом случае происходит регистрация туннельного тока, величина которого J — J₂ пропорциональна неоднородности исследуемой поверхности ЛЯ.

Если первый метод позволяет получить точную информацию о рельефе поверхности, то второй метод позволяет получить изображение в реальном масштабе времени. Периодическое изменение параметров вызывает осцилляции туннельного тока. Эта идея легла в основу модуляционных методик исследования поверхности.