Физическая энциклопедия Том 4 - Порохов А.М.
Скачать (прямая ссылка):
Устройство С. а.-с. м. во многом аналогично устройству сканирующего туннельного микроскопа. Принципиальным отличием является то, что стабилизируется
Изображение поверхности скола графита — плоскость (0001). Максимальные вариации уровня от светлого к тёмному ~ 0,015 нм.
не ток между остриём и образцом, а деформация чув-ствнт. элемента. Для её измерения в первых С. а.-с. м. использовалось измерение туннельного тока между тыльной (по отношению к образцу) стороной плоской пружины н подводимым к иен дополнит, электродом — остриём; применяются также оптич. методы, основанные на наблюдении интерференции или отклонения луча света, отражающегося от чувствит. элемента.
С. а.-с. м. можно преобразовать в прибор для зондирования магн. полей с субмииронным разрешением; при этом на иончике пружины закрепляется крупинка ферромагн. материала. Другие области применения те же, что и для сканирующей туннельной микроскопии. Преимущество С. а.-с. м.— возможность изучения (с атомным разрешением) поверхности не только проводников, ио и диэлектриков (рис.).
Лит. CM. при ст. Сканирующий туннельный микроскоп.
В. С. Эдельман.
СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП —
прибор для изучения поверхности твёрдых электропроводящих тел, основанный на сканировании метал-лич. острия над поверхностью образца ца расстоянии
537
СКАНИРУЮЩИЙ
В
2
>»
<
X
U
г ж 3—10 А. Такое расстояние достаточно мало для туннелирования электронов через контакт, т.е. для протекания туннельного тока / » 1—10 нА между остриём н образцом, прн разности потенциалов V между ними от единиц мВ до неск. В (в зависимости от материалов электродов и целей). Прн этом цепь обратной связи поддерживает значение / постоянным, соответственно изменяя z. Синхронная со сканированием запись сигнала обратной связи Vz (на двухкоординатиом самописце — в виде кривых, на экране телевнз. трубки — в виде карты и т. п.) представляет собой увеличенную запись профиля поверхности постоянного туннельного тока j(xt у). Она совпадает с геом. поверхностью образца S{x, у), если высота потенц. барьера (работа выхода) электронов ф одинакова по всей поверхности S, поскольку j — /оехР(—Azy !*), где A ss I A-1 (eF)1/a. В ином случае распределение ф(я, у) может быть получено путём модуляции расстояния на частоте, более высокой, чем полоса пропускания цепи обратной связи н измерения возникающей иа этой частоте модуляции /, амплитуда к-рой пропорциональна ф7« = d\nj!dz. Т. о., в результате сканирования острия над участком исследуемой поверхности получаются одновременно её профиль S(я, у) и распределение работы выхода ц>(х, у).
С. т. м. изобретён Г. Биннннгом и Г. Рорером в 1982 [1]. Увеличение его определяется отношением размеров записи кадра (на бумаге или экране трубки) к размерам сканируемого участка поверхности, последние могут составить от единиц А до десятков мкм. Разрешающая способность микроскопа по х, у достигает — 1 А, а по г порядка 0,01 А. Прибор может работать в вакууме, газе или жидкости, посиольку z имеет величину порядка межатомных расстояний в жидкости. Выбор среды определяется конкретной задачей, прежде всего условиями подготовки и поддержания чистоты (или сохранности)
P
І і
X У Д *
I
Si V
Рис. 2. Блок-схема туннельного микроскопа: У — усилитель туннельного тока; OG — схема обратной связи; Д — пьезодвигатель острия; PO — устройство регистрации и обработки данных.
Рис. 3. Атомная структура поверхности ориентированного пиролитического монокристалла графита.
сигнал обратной связи Vz модулирует яркость пятна* перемещающегося по кадру. Светлые пятна — атомы-С, выступающие над ср. плоскостью поверхности, тём-ные места — углубления между ними.
Одно нз первых исследований — изучение реконстру-нров. структуры поверхности (111) монокристалла Sif на рис. 4 границы элементарной ячейки (7 х 7) показаны ромбом, одна сторона к-рого лежит на ступенв1
Рис. 4. Атомная структура реконструированной поверхности (111) монокристалла Si.
Рис. 1. Схема устройства туннельного микроскопа: V1 — напряжение обратной связи, регулирующее величину г; пунктир — траектория острия, записываемая регистрирующей системой при движении острия над линией L; б — сглаженная запись ступеньки; В — запись участка С с пониженной работой выхода;
Az — модуляция z с целью определения работы выхода.
высотой в один слой атомов [3, 4]. При меньшей разрв* шающей способности (~10 А) можно изучать состояний поверхности образца иа участках большего размера; на рис. 5 показан записанный на двухкоординатном самописце профиль обработанной поверхности (100) кристалла Si (применённого в МДП-структуре дли исследования квантового Холла эффекта [5]).
образца. Малая величина / и низкая энергия туннелирующих электронов исключают опасность повреждения образца током. Длительность записи одного кадра от ~ 0,03 с до 30 мин.
Схема устройства С. т. м. приведена на рис. 1. Пье-зоэлектрнч. пластины PxiPyt Pt свободными концами (вне рнс. 1) закреплены на станине прибора и при приложении к ним электрич. напряжения двигают остриё вдоль соответствующей координаты за счёт собств. деформации (пьезодвигатели). Устройства сближения образца и острия до малого расстояния, перекрываемого пьезодвнгателем, осуществлены в разл. вариантах [2]. Блок-схема туннельного микроскопа приведена на рис. 5. рис. 2.
