Морфология и электронные свойства поверхности. Работа со сканирующим туннельным микроскопом

Морфология и электронные свойства поверхности.

Работа со сканирующим туннельным микроскопом.

Нартова А.В., Бурмасов В.С.

Цель работы

Освоение сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) как метода исследования структуры поверхности твердых тел.

Изучение принципа работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ).

Исследование поверхности образца – тонкая пленка оксида алюминия на поверхности проводящей подложки алюминийсодержащего сплава фекралой.

Теоретические основы метода

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одним из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела [1], нашедшим широкое применение в различных областях науки и технологии. Все методы СЗМ основаны на одном принципе действия: острый зонд подводится к исследуемой поверхности на расстояние порядка 1 нм. В результате такого приближения между образцом и зондом устанавливается физическое взаимодействие, силу которого можно измерить. Интенсивность измеряемого сигнала имеет обычно сильную зависимость от расстояния зонд – образец, что используется для контроля данного расстояния. [1, 2]. Относительное перемещение зонда и образца (сканирование) реализуется с помощью пьезокерамического сканера, который изменяет размеры под воздействием прикладываемого напряжения. Основное отличие между различными разновидностями методов СЗМ (сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия, атомно-силовая микроскопия (АСМ), магнитно-силовая микроскопия, ближнепольная акустическая микроскопия и т.д.) лежит в типе взаимодействия, который используется для контроля расстояния зонд – образец. Несмотря на то, что количество вариантов СЗМ достаточно многочисленно, оно продолжает расти, что позволяет получать дополнительную информацию, не только топографическую, о поверхностных свойствах образцов. Тем не менее, наибольшее распространение получили методы сканирующей туннельной микроскопии и атомно-силовой микроскопии [2, 3].

Метод СТМ является основоположником всего семейства методов СЗМ. Первый сканирующий туннельный микроскоп был создан в 1981 году Гердом Биннигом и Генрихом Рорером [1, 3 - 5]. А в 1986 году Г. Бинниг и Г. Рорер были удостоены Нобелевской премии за свое изобретение. Изначально метод СТМ создавался и развивался как метод, позволяющий исследовать топографию поверхности металлов с высоким (вплоть до атомарного) разрешением в сверхвысоком вакууме. Позже метод был применен для исследования других материалов, таких как полупроводники, тонкие непроводящие пленки или биологические молекулы в различных условиях (вакуум, воздух или жидкость) [2, 6].

1. Физические основы метода СТМ

Принцип действия СТМ основан на явлении электронного туннелирования – прохождения электроном потенциального барьера, образованного разрывом электрической цепи – небольшим промежутком между зондом и поверхностью исследуемого образца. Если между иглой и образцом прикладывается небольшое электрическое напряжение (Ut), через промежуток порядка ~1 нм начинают происходить туннельные переходы электронов, т.е. начинается протекание так называемого «туннельного тока» (It) [1, 2, 3, 5 - 7].

Упрощенная формула для туннельного тока (случай одномерного потенциального барьера) [4, 5, 7]:

It ~ Ut exp(-adj^1/2) ~ Ut exp(-bd),

где It – туннельный ток, Ut – прикладываемое напряжение, d – величина туннельного промежутка (расстояние между иглой и поверхностью образца), j - средняя высота потенциального барьера между двумя электродами, а, b - константы. Таким образом, в простейшем случае туннельный ток экспоненциально зависит от ширины и высоты барьера (соответственно d туннельного промежутка, а также от работы выхода материалов образца и иглы). Эта экспоненциальная зависимость обусловливает высокую разрешающую способность СТМ, прежде всего по высоте, и делает возможным достижение атомарного разрешения [4].

Подобная модель одномерного туннелирования, являясь упрощенным исходным приближением, очень полезна для качественного понимания природы получаемого СТМ – изображения. Попытки создания теории трехмерного туннелирования неизбежно наталкиваются на вычислительные трудности [4]. Выражение для туннельного тока при условии слабой связи между электронными состояниями на поверхности иглы и образца можно записать в виде [4, 5]:

It » r_s(E + eV)r_t(E)|M(E)|²[¦(E) - ¦(E + eV)] dE,                                                       (1)

где Е – энергия данного электронного состояния, М – матричный элемент туннельных переходов; ¦(E) - функция Ферми; r(E) - функция плотности электронных состояний в образце (s) и игле (t); V- туннельное напряжение.

При малом напряжении и в предположении, что острие иглы имеет форму полусферы с центром в точке r, а волновая функция, описывающая электронную структуру поверхности, имеет вид атомной функции s-типа, формулу (1) можно упростить [4, 5]: