3. Устройство сканирующего туннельного микроскопа
Принцип работы микроскопа для исследования структуры поверхности материала или шлифа, основанный на использовании в качестве инструмента измерения туннельного тока, был сформулирован в начале XX века после открытия основных положений квантовой механики.
Однако практические трудности по разработке высокоточных двигателей для перемещения острия зонда, регистрирующих и следящих приборов, задержали появление конструкции туннельного микроскопа вплоть до конца XX столетия.
Блок-схема СТМ, работающего в режиме постоянного туннельного тока, представлена на рисунке 5.
|
Обозначение: 1 - двигатели для перемещения зонда по осям X, Y, Z; 2 - двигатель для перемещения объекта по оси Z; - напряжения, подаваемые на двигатели 1; - напряжение, подаваемое на двигатель 2; - разность потенциалов между зондом и объектом; - туннельный ток. |
Рисунок 5 - Блок-схема сканирующего туннельного микроскопа
Зонд перемещается в плоскости объекта XY и по нормали к ней Z с помощью трёх двигателей -1. Объект подводится к острию зонда с помощью двигателя -2.
От цифроаналогового преобразователя (ЦАП) подаются напряжения и на -, -двигатели - 1, управляющие сканированием зонда в плоскости объекта. На -двигатель -1 подается напряжение обратной связи , и двигатель начинает перемещать зонд по нормали к поверхности объекта до тех пор, пока туннельный ток цепи зонд - образец не будет стабилизирован на заданном уровне. Таким образом, изменение при сканировании поверхности будет количественно отражать характер изменения рельефа поверхности . Для регистрации этих зависимостей используется компьютер, обрабатывающий сигнал из АЦП. Это позволяет быстро менять параметры эксперимента, проводить математическую обработку трёхмерного массива данных, запоминать и выводить данные в различной форме. Сигнал на АЦП поступает из предусилителя, который служит для усиления туннельного тока.
Электронные устройства, используемые в СТМ, традиционны, и вся специфика прибора в основном связана с конструкцией двигателей перемещения зонда и образца. К этим двигателям предъявляются следующие требования:
Двигатели должны обеспечивать по возможности большие перемещения при высокой жесткости устройства, что необходимо для защиты СТМ от механических вибраций. Поэтому они должны обладать высокими частотами собственных механических колебаний, что желательно также и для обеспечения быстродействия;
Задаваемые перемещения должны быть воспроизводимы и линейно зависеть от управляющего напряжения;
Необходимо уменьшать мощность управляющих сигналов (в термо-скомпенсированной конструкции локальные источники тепла приводят к изменению температуры по направлению (появлению градиента температур) и вызывают искажения линейных размеров деталей конструкции микроскопа
Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют двигатели из пьезокерамики, обладающей высоким коэффициентом преобразования электрической энергии в механическую (до 40 %).
4. Области использования сканирующей туннельной микроскопии
Этот метод начал использоваться в научных исследованиях сравнительно недавно, но уже сейчас области его применения довольно разнообразны. Они могут быть представлены следующим образом.
Физика и химия поверхности на атомном уровне.
С помощью туннельной микроскопии удалось осуществить реконструкцию атомного строения поверхности многих материалов. СТМ позволяет получать спектр электронных состояний с атомным разрешением и определять химический состав поверхностного слоя, распределение потенциалов при протекании тока через образец и др.
Нанометрия - исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности образца.
Нанотехнологии - исследование, изготовление и контроль приборных структур в микроэлектронике.
На основе СТМ, в частности, возможны запись и воспроизведение информации. При записи используют эффект локального воздействия зонда на поверхность носителя информации. Это воздействие может быть механическим, создающим на поверхности искусственный рельеф в виде ямок - битов памяти. Искусственный рельеф может создаваться и путём термодесорбции. В этом случае зонд выступает в роли носителя материала для создания битов информации. Зонд может использоваться также и в роли точечного источника электронов для осуществления электронной литографии, химических или структурных локальных перестроек поверхности.
При записи информации методом электронной литографии (нанолитографии) через острие зонда пропускают кратковременно большой силы туннельный ток при повышенной разности потенциалов , происходит эмиссия электронов или ионов с острия на поверхность объекта или наоборот, и образуются на поверхности ямки или впадины,
которые и несут бит информации. Плотность записи достигает до 1012 . Для сравнения: плотность записи на современном накопителе информации, где использован магнитный эффект (магнитные диски), составляет 107 , при лазерном воздействии (компакт диски - CD) - до 109 .
Исследование биологических объектов - макромолекул (в том числе и молекул ДНК), вирусов и других биологических структур.
Следует отметить, что большая часть (примерно 80%) всех опубликованных работ относится к первой группе областей применения СТМ. В последнее время увеличивается количество публикаций относящихся к четвёртой группе.
СТМ имеет широкие перспективы в области материаловедения - при изучении микро-, суб- и кристаллических структур различных материалов. Объектами для исследования структуры материалов на СТМ могут служить, как и в других случаях (оптическая и электронная микроскопия), микрошлифы. Рельеф микрошлифа, получаемый при травлении, будет отражать структуру материала. Исследование рельефа на СТМ с высоким разрешением позволит выявить особенности, прежде всего, субструктурного строения. Представляется, что метод сканирующей туннельной микроскопии откроет широкие возможности для исследования дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций и т.д.), различных сегрегаций атомов, в том числе и при фазовых превращениях, особенно на их ранних стадиях. Определение, наряду с изучением структуры материала, химического состава локальных зон поверхностного слоя объекта (СТМ - спектроскопия), позволит составить конкуренцию растровой электронной микроскопии, микрорентгеноструктурному анализу, превосходя последний по уровню разрешения.
Работ в области материаловедения, особенно фундаментального характера, с использованием СТМ пока крайне мало. В настоящее время имеются работы по исследованию на СТМ некоторых металлов и сплавов, плёнок металлов толщиной от 0,5 нм, дифракционных решёток (изготовленных методами микроэлектроники и голографии), полупроводников, ферритовых головок, усталостных трещин в металлических материалах, углеродных микропористых фильтров, алмазоподобных плёнок, металлических монокристаллов, теплоизолирующих материалов на основе спечённых кварцевых волокон, порошковых материалов, алмаза и других природных камней, фуллеренов и подобных им образований, плёнок жидких кристаллов и др. Эти исследования в основном связаны с выявлением структуры различных материалов. Ещё один способ использования метода СТМ состоит в том, что между зондом и подложкой прикладывают достаточно большое напряжение, под действием которого материал с кончика зонда начинает напыляться на подложку. При перемещении зонда атомы попадают на поверхность и образуют нить нанометрового масштаба.
Предложен также способ разложения металлоорганических соединений при прохождении тока между иглой СТМ и подложкой. В результате металл осаждается на подложку, и таким образом при движении иглы тоже образуют тонкую металлическую нить субмикронного размера. В результате становится возможным изготавливать из нанопроволок рисунки сложной формы, создавать элементы наноструктур. Для одновременного изготовления большого количества наноструктур на одной подложке разрабатывают наноманипуляторы, содержащие большое число микро-СТМ. Управление напоманипуляторами производится с помощью компьютера, они способны одновременно с изготовлением прибора вести наблюдение за поверхностью, на которой производится сборка наноструктур.
Заключение
СТМ - первый из семейства зондовых микроскопов. Он стал первым устройством, давшим реальные изображения поверхностей с разрешением до размера атома. С момента своего изобретения СТМ широко используется учеными самых разных специальностей, охватывающих практически все естественнонаучные дисциплины, начиная от фундаментальных исследований в области физики, химии, биологии и до конкретных технологических приложений. Принцип действия СТМ настолько прост, а потенциальные возможности так велики, что очень интересно попытаться предугадать его воздействие на науку и технику ближайшего будущего.
Список литературы
1. Маслова Н.С., Панов В.И. Сканирующая туннельная микроскопия атомной структуры, электронных свойств и поверхностных реакций // Успехи физ. наук. 1989. Т. 157, № 1. С. 185-195.
2. Бахтизин Р.З., Сканирующая туннельная микроскопия - новый метод изучения поверхности твёрдых тел. СОЖ, 2000. №11, с83-89.
3. Трубецков Д.И., Вакуумная микроэлектроника .СОЖ, 1997. № 4. С. 58-64.
4. Келдыш Л.В., Таммовские состояния и физика поверхности твердого тела. Природа. 1985. № 9. С. 17-33.
5. Лифшиц В.Г., Современные приложения сканирующей туннельной микроскопии для анализа и модификации поверхности. СОЖ, 2001, №7, с.110-119.