Сканирующая зондовая микроскопия

Введение

Сканирующие зондовые микроскопы (scanning probe microscopes-SPM) – это целое семейство новых уникальных приборов, позволяющих изу­чать свойства поверхности материалов (в ряде случаев и их объёма вблизи поверхности) с очень высоким пространственным разрешением. За создание первой модели из серии этих приборов – сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) Г. Биннингу и Г. Рореру в 1986 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

Биннинг и Рорер попытались сконструировать прибор для исследования участков поверхности размером менее 10 нм. Итог превзошел самые смелые ожидания: ученым удалось увидеть отдельные атомы, размер которых в поперечнике составляет лишь около одного нм. В основе работы сканирующего туннельного микроскопа лежит квантово-механическое явление, называемое туннельным эффектом.  

Мнение большинства ведущих специалистов по литографии сводится к тому, что вплоть до минимального размера 100 нм доминирующей остается оптическая литография, обеспечивающая высокую производительность и разрешающую способность процесса на больших кристаллах. Для размеров, меньших 100 нм, в качестве альтернативы рассматриваются электронная, ионная и рентгеновская литографии. В связи с развитием исследований в области наноэлектроники большое внимание уделяется новой разновидности электронной литографии с использованием сканирующей зондовой микроскопии - сканирующей зондовой литографии (СЗЛ). Исследовательские проекты в этой области достаточно интенсивно финансируются, поскольку СЗМ является незаменимой в ряду средств изготовления и исследования наноструктур.

I. Сканирующая туннельная микроскопия.

СТМ является исторически первым из семейства зондовых микроскопов. В настоящее время он достаточно широко распространён в практике физических исследований и является одним из самых современных и мощных инструментов для изучения структуры поверхности и энергетического спектра электронов для самых различных проводящих объектов. Он предоставляет уникальную возможность непосредственного наблюдения за распределением электронной плотности на поверхности твёрдых тел с пространственным разрешением от единиц микрон вплоть до атомарного [3].

1.1 Физические основы туннелирования и принцип работы СТМ.

В основе действия СТМ лежит квантовый эффект, который заключается в способности электронов туннелировать сквозь достаточно узкий потенциальный барьер, ширина d которого сопоставима с длиной волны де Бройля электронов.

Ток между двумя проводниками, разделёнными таким барьером. Может быть записан в виде:

              ,

где С – константа; D – коэффициент прозрачности туннельного барьера; Е_F – уровень Ферми в полупроводниковом электроде; e – заряд электрона; V – напряжение смещения между проводниками-электродами; ћ – постоянная Планка; g(Е) – плотность электронных состояний в полупроводниковом электроде; d – ширина потенциального барьера [2].

Туннельный ток, как видим, экспоненциально зависит от расстояния между электродами. Оценки показывают, что ток изменяется по величине на порядок при изменении расстояния между электродами всего лишь