Материал: Введение в нанотехнологии (Рыбалкина), c.87

Это необъяснимое, на первый взгляд, туннелирование является следствием того, что электрону присущи как корпускулярные, так и волновые свойства. Будь электрон классической частицей, обладающей энергией E, он, встретив на своем пути преграду, требующую для преодоления большей энергии, должен был бы отразиться от этой преграды. Однако как волна он проходит через эту преграду, подобно тому, как рентгеновские волны свободно проходят сквозь материальные объекты.

Таким образом, над поверхностью любого проводника или полупроводника всегда наблюдается некоторое количество свободных электронов, "вышедших" за его пределы не в результате термоэлектронной эмиссии, а благодаря туннельному эффекту.

Если взять два проводящих вещества, расположить их на расстоянии друг от друга L=0,5 нм и приложить к ним сравнительно малую разность потенциалов U (0,1…1В), то между ними возникнет электрический ток, обусловленный туннельным эффектом, который называется туннельным током It.

Если повторить тот же опыт, но к поверхности интересующего тела поднести острый предмет, например, очень тонкую иглу с кончиком в атом толщиной, то проводя иглой над изучаемым объектом (как бы сканируя его поверхность) можно получать информацию о строении материи объекта на атомном уровне.

В 1981 году на основе этого явления был построен первый сканирующий туннельный микроскоп, позволивший разглядеть атомы на поверхности золота, а затем и монокристаллического кремния. Это привело к началу бурного развития нанотехнологий.

Рабочим органом СТМ - зондом - служит токопроводящая металлическая игла (в первых вариантах это был вольфрам или сплав платины). Суть его работы заключался в том, что зонд подводится к изучаемой поверхности на очень близкое расстояние L (≈0,5 нм) и, при подаче на зонд постоянного напряжения, между ними возникает туннельный ток.

Туннельный ток экспоненциально зависит от расстояния между зондом и образцом. Поэтому при увеличении расстояния только на 0,1 нм туннельный ток It уменьшаются почти в 10 раз. Это обеспечивает высокую разрешающую способность микроскопа, поскольку незначительные изменения по высоте рельефа поверхности вызывают существенное изменение туннельного тока.

Поддерживая ток и расстояние постоянным при помощи следящей системы, зонд сканирует поверхность, перемещаясь над нею по осям X и Y, то опускаясь, то поднимаясь в зависимости от рельефа исследуемой поверхности.

21

Информация об этом перемещении отслеживается компьютером, и программно визуализируется таким образом, чтобы исследователь мог увидеть на экране объект с нужным разрешением.

Существуют два варианта конструкции СТМ в зависимости от режима сканирования образцов.

В режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирования изменяется (рис.а). Исходя из данных о величинах тока туннелирования, промеренных в каждой точке сканирования поверхности образца, строится образ топографии поверхности.

В режиме постоянного тока СТМ задействуется система обратной связи для поддержания постоянного тока туннелирования путем подстройки высоты сканирующего устройства над поверхностью в каждой точке (рис. б).

У каждого режима есть преимущества и недостатки. Режим постоянной высоты более быстрый, так как системе не приходится передвигать сканирующее устройство вверх и вниз, но при этом можно получить полезную информацию только с относительно гладких поверхностей. В режиме постоянного тока можно с высокой точностью измерять нерегулярные поверхности, но измерения занимают больше времени.

22

Терминология, сложившаяся в сканирующей зондовой микроскопии, несет на себе отпечаток своего англоязычного происхождения. Так, часто острие сканирующей иглы называется "типом” (tip) , а консоль - “кантилевером”

(cantilever).

На сегодняшний день современные СЗМ являются основными инструментами нанотехнологий. Благодаря значительным усовершенствованиям, они позволяют изучать не только топологию (геометрические свойства) исследуемых объектов, но и массу других характеристик: магнитные и электрические свойства, твердость, однородность состава поверхности и др. и все это с нанометровым пространственным разрешением.

Кроме определения различных параметров, современные СЗМ позволяют манипулировать нанообъектами, обеспечивать захват отдельных атомов и перенос их в новую позицию, производить атомарную сборку проводников шириной в один атом, придавая тем самым поверхностям различных предметов новые нужные качества.

Существуют два основных способа манипуляции атомами с помощью иглы СТМ - горизонтальный и вертикальный. При вертикальной манипуляции после захвата нужный атом отрывают от поверхности, поднимая зонд на несколько ангстрем. Процесс отрыва атома от поверхности контролируют по скачку тока. Разумеется, отрыв от поверхности и перетаскивание требует больших усилий, чем просто "перекатывание" атома по поверхности, как при горизонтальной манипуляции, но зато потом процесс переноса не зависит от встречающихся на поверхности образца препятствий (ступеней, ям, адсорбированных атомов).

После перемещения в необходимое место атом "сбрасывают", приближая острие к поверхности и переключая напряжение на игле.

В настоящее время в мире в широком ассортименте выпускаются СЗМ и принадлежности к ним. Среди наиболее известных фирм можно назвать Digital

24