Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
острия в ионном проекторе при 12К. продуктов испарения позволило за-
Темные точки относятся к позициям ложить основы нового аналитиче-
индивидуальных атомов ского прибора _ атомного зонда
Образец 11^ Острие
Е<;> -^-4
\F=fr+Fa
стрие
(r)
d ^ х
- (c)- -ч}- -(c)- -¦*-
Рис.4.4. Схемы, поясняющие работу сканирующего туннельного микроскопа: а)
энергетическая диаграмма металлического образца (1) и металлического
острия (2), разделенных туннельным зазором; б) расположение острия и
исследуемой поверхности; в) взаимное расположение сканирующего элемента и
образца в атомном силовом наноскопе
Экспериментальные исследования структуры и свойств поверхности.
125
Крупный прорыв В изучении геометрии поверхности произошел в 1981 г.,
когда Биннинг и Рёрер сконструировали первый сканирующий туннельный
микроскоп (СТМ), часто называемый теперь наноскопом.
Принцип его действия основан на измерении туннельного тока, протекающего
через потенциальный барьер между тонким металлическим острием (как в ПИМ)
и поверхностью исследуемого образца. На рис.4.4 представлен случай
металлического образца. г, а с г гч с
_ " Рис.4.5. СТМ - изображение в реальном
1уннельныи ток ij пространстве поверхности Аи (110) 1x2. определяется
толщиной барь- Деления на осях соответствуют 0,5 нм. ера d = Zi - Z\ и
степенью Врезка - участок поверхности в прибли-перекрытия волновых функ-
жении модели твердых сфер ций Tj 2 электронов, которые экспоненциально
затухают за пределами металла.
Острие наноскопа сканирует поверхность при фиксированной разности
потенциалов, приложенной к контакту. С помощью обратной связи
пьезоэлектрические элементы перемещают острие по оси Z, т.е. изменяют d
так, что туннельный ток поддерживается постоянным (1 - 10 нА). В этом
режиме острие отслеживает рельеф поверхности.
Пример типичной сканограммы и соответствующего профиля атомарно-чистой
поверхности золота представлен на рис.4.5. Из рисунка видно, что
поверхность достаточно разупорядо-чена на атомном уровне, как в плоскости
поверхности (X, Y), так и по нормали к ней (Z).
Другой пример - изображение атомарночистой поверхности кремния -
рис.4.6.
Рис.4.6. СТМ - изображение поверхности (111) 7x7 вблизи атомной ступеньки
[10]
126
Глава 4
Изображение построено с помощью компьютерной обработки сканограмм СТМ
вблизи моноатомной ступеньки на поверхности. Следует заметить, что СТМ
может работать и в режиме сканирующего туннельного спектрографа, давая
ценную информацию об электронном спектре локализованных состояний.
Вслед за разработкой СТМ в лаборатории Биннинга был разработан еще один
вариант наноскопа - атомный силовой наноскоп (АСН), позволяющий измерять
силы взаимодействия между острием СТМ и атомами образца. В этом случае
острие крепится к подвижному рычагу и его отклонения, вызванные силами
взаимодействия, регистрируются лазерной системой - рис. 4.4,в.
Предполагается, что суммарная сила взаимодействия складывается из сил
притяжения Та и отталкивания Fr. Компьютерный фурье-анализ сканограмм
позволяет представить информацию в виде картины распределения силовых
взаимодействий на исследованном участке.
Несомненно, что создание наноскопов открыло новую эру в технике. Физики
научились "перетаскивать" слабо связанные атомы на поверхности и строить
из них новые конфигурации. Например, на рис.4.7 представлено составленное
из атомов ксенона на поверхности металла изображение названия фирмы IBM,
впервые реализовавшей запись информации на атомном уровне. Используя
другой принцип - диффузию ионизированных атомов Si к острию СТМ,
сопровождающуюся образованием воронок и кратеров, японские ученые на
нанометриче-ском уровне записали название фирмы Jeot (ширина линии 1-2
нм). Для ускорения диффузии использовался высокотемпературный наноскоп
(=1500К). Наноскопия открывает уникальные возможности постадийного
исследования формирования кластеров пониженной размерности (D) из
нанесенных посторонних атомов на поверхности (эволюция 0D -э 1D -" 2D -"
3D).
Пока менее очевидна ценность информации, даваемой наноскопией, для
раскрытия фундаментальных свойств поверхности твердого тела. ПрТичин
здесь несколько.
1. Естественно, информация о распределении атомов или силовых констант
на площади в 10-100 нм2 не позволяет судить о макроскопическом строении
поверхности, исследуемой методами электронной микроскопии и
электрофизическими методами. Теоретиче-
Рис.4.7. Слово "IBM" воспроизведено в атомном масштабе из атомов ксенона
на никелевой подложке с использованием СТМ. Увеличение - 106 [11]
Экспериментальные исследования структуры и свойств поверхности.
127
ские работы по использованию формализма статистической физики (метод
Монте-Карло, функции Грина и др.) пока что мало дают для установления
моста между нано- и макро-свойствами поверхностей.
2. Во многих работах предполагается сверхидеализированная модель острия
(рис.4.4,б), в реальных условиях туннельные токи и силы взаимодействия в
