Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа

Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий по-тенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле (Рисунок 1).

В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояния в несколько ангстрем. При этом образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер, величина которого определяется, в основном, значениями работы выхода электронов из материала зонда и образца. При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой, равной средней работе выхода материалов:

(2.1).

Рисунок 1. — Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер в туннельном микроскопе. — амплитуда волновой функции электрона; - амплитуда волновой функции электрона, прошедшего сквозь барьер; ?Z — ширина барьера.

Как известно из квантовой механики [5,6], вероятность тунелирования электрона (коэффициент прохождения) через одномерный барьер прямоугольной формы равна.

(2.2).

где — амплитуда волновой функции электрона, движущегося к барьеру; - амплиту-да волновой функции электрона, прошедшего сквозь барьер; K — константа затухания волновой функции в области, соответствующей потенциальному барьеру; ?Z — ширина барьера. Для туннельного контакта двух металлов константу затухания можно представить в виде.

где m — масса электрона, — средняя работа выхода электрона, h — постоянная Планка.

При приложении к туннельному контакту разности потенциалов V между зондом и образцом появляется туннельный ток (Рисунок 2).

Рисунок 2 — Энергетическая диаграмма туннельного контакта двух металлов. , — уровни Ферми зонда и образца.

В процессе туннелирования участвуют, в основном, электроны с энергией в окрестности уровня Ферми. В случае контакта двух металлов выражении для плотности туннельного тока (в одномерном приближении) было получено в работе [7]:

(2.4).

Где параметры и задаются следующими выражениями.

(2.5).

(2.6).

При условии малости напряжения смещения (), выражение для плотности тока можно представить в более простом виде. Линеаризуя вторую экспоненту в выражении (2.4) по параметру, получаем.

(2.7).

Наконец, пренебрегая членом по сравнения с, выражение для плотности тока можно записать следующим образом:

=(2.8).

Поскольку экспоненциальная зависимость очень сильная, то для оценок и качественных рассуждений часто пользуются упрощенной формулой.

(2.9).

в которой величина) считается не зависящей от изменения расстояния зонд-образец. Для типичных значений работы выхода () значение константы затухания k = 2, так что при изменении? Z на величина тока меняется на порядок. Реальный туннельный контакт в СТМ не является одномерным и имеет более сложную геометрию, однако основные черты туннелирования, а именно экспоненцальная зависимость тока от расстояния зонд-образец, сохраняются также и в более сложных моделях, что подтверждается экспериментально.

Для больших напряжений смещения () из выражения (2.4) получается хорошо известная формула Фаулера-Нордгейма для полевой эмиссии электронов в вакуум:

(2.10).

Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния (2.9) позволяет осуществлять регулирования состояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. СТМ представляет собой электромеханическую систему с отрицательной обратной связью. Система обратной связи поддерживает величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне (), выбираемом оператором. Контроль величины туннельного тока, а следовательно, и расстояние зонд-поверхность осуществляется посредством перемещения вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента (Рисунок 3).

Рисунок 3. — Упрощенная схема организации обратной связи по туннельному току.

Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя методами. По методу постоянного туннельного тока (Рисунок 4(а)) зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжение на Z-электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции, а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

Рисунок 4. — Формирование СТМ изображения поверхности по методу постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния.

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображение поверхности по методу постоянной высоты. В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (Рисунок 4(б)). Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуется очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени.

Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающей над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.

Рисунок 5. — Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до атомарного, что продемонстрировано многими исследовательскими группами на образцах из различных материалов.