2009, Лекция №9 Сканирующая зондовая микроскопия.
Прогресс в нанотехнологиях стимулировался развитием экспериментальных методов исследований, наиболее инфомативными из которых являются методы сканирующей зондовой микроскопии.
В основе сканирующей зондовой микроскопии лежит взаимодействие между твердотельным зондом, приближенным к объекту исследования на некоторое малое расстояние λ, где λ- характерная длина затухания взаимодействия «зонд-объект». Для получения изображения поверхности объекта, а также пространственного распределения его физико-химических свойств используются прецизионные системы механического сканирования зондом относительно образца (или образцом относительно зонда), причем система автоматического регулирования стабилизирует параметры наноконтакта между зондом и объектом в процессе сканирования. Пространственное разрешение СЗМ определяется характерным размером наноконтакта между зондом и образцом и может достигать атомных масштабов. Образно выражаясь, можно сказать, что, если в оптическом или электронном микроскопах образец осматривается, то в СЗМ - ощупывается и обстукивается.
Реализация на практике этих методов стала реальной с появлением в арсенале экспериментаторов принципиально нового инструмента – сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), предоставившего возможность визуализировать, диагностировать и модифицировать вещество с нанометровым уровнем пространственного разрешения. Именно благодаря СЗМ, еще недавно казавшиеся фантастическими прямые эксперименты с отдельными молекулами и атомами стали вполне реальными и даже обычными не только для фундаментальных исследований, но и для прикладных разработок в нанотехнологии. *слайд IBM
Первым СЗМ, по-видимому, следует считать профилометр Янга (Young R. Phys.Today, V.24.P.42.(1971)) в котором детектировался автоэмиссионный ток между сканирующим металлическим зондом и исследуемой поверхностью. Экспериментальный подход Янга получил блестящее развитие в работах профессора Г. Биннига и доктора Г. Рорера, которые привели к появлению в 1981 году СТМ с атомным пространственным разрешением и были удостоены Нобелевской премии по физике в 1986 г.
В том же 86 году Биннингом был предложен, а Христианом Бергером изготовлен первый атомно-силовой микроскоп.
Мир был заворожен открытием столь простых методов визуализации атомов, да еще с возможностью манипулировать ими.
Природа взаимодействия между зондом и объектом весьма разнообразна, что и определяет разнообразие типов СЗМ или методов измерений. В сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) детектируется туннельный ток, протекающий между зондом и объектом; в сканирующих силовых микроскопах (ССМ) детектируется локальная сила, действующая между зондом и объектом, причиной которой могут быть Ван-дер-Ваальсовское, электростатическое, магнитное взаимодействия, трение и т. п.; работа ближнепольных оптических микроскопов (БОМ) основана на использовании оптических фотонов, существующих около малого отверстия с диаметром меньшим длины волны света в области ближнего поля, интенсивность которого экспоненциально затухает на расстоянии порядка длины волны света. Существуют также емкостные (детектируется локальная емкость), акустические, (детектируются звуковые колебания), электрохимические (детектируются токи локальных электрохимических реакций) и другие типы СЗМ.
Если первые сканирующие зондовые микроскопы были приборами-индикаторами для качественных исследований, то современный сканирующий зондовый микроскоп – это прибор, интегрирующий в себе до 50 различных методик исследования. Он способен осуществлять заданные перемещения в системе зонд-образец с точностью до 0.1%, рассчитывать форм-фактор зонда, производить прецизионные измерения достаточно больших размеров (до 200 мкм в плоскости сканирования и до 15-20 мкм по высоте) и, при этом, обеспечивать субмолекулярное разрешение
На мировом рынке СЗМ можно выделить российскую компанию НТ-МДТ, производящую приборы с оптимальным соотношением цена-качество.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) исторически является предшественником всех сканирующих зондовых микроскопов.
Принцип работы этого микроскопа основан на эффекте туннелирования электронами некоторого потенциального барьера. Останавливаясь на физических принципах, положенных в основу работы СТМ, следует отметить, что процесс туннелирования электронов происходит при перекрытии волновых функций атомов острия сканирующей иглы и поверхности. Туннельный ток между двумя металлическими телами описывается уравнением I = 10exp[–C(jz)1/2]. При типичной высоте потенциального барьера j = 4 эВ туннельный ток снижается на порядок, если зазор z уменьшается на 0,1 нм. Эти свойства и являются причиной того, что острие зонда туннельного
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
