14.2.6. Туннельный микроскоп

Явление туннелирования и как его следствие туннельный зарядоперенос между двумя проводящими средами послужили физической основой  для разработки инструментария по исследованию морфологии поверхности твердых тел. Такой инструмент получил название туннельного микроскопа. Поскольку туннельный ток экспоненциально сильно зависит от  напряженности электрического поля, то изменения геометрического расстояния между катодом и анодом в единицы ангстрем вызывает изменения туннельного тока на порядок. Это обстоятельство дает принципиальную возможность при сканировании поверхности твердых тел получать геометрическое разрешение рельефа на атомарном уровне.

Возможность прецизионных перемещений зонда туннельного микроскопа в горизонтальной плоскости и вертикальном направлении обеспечивается за счет электромеханических систем, использующих пьезоэлектрический эффект. В главе 8 были подробно описаны физика и механика пьезоэлектрических преобразователей.

Приборная реализация туннельного микроскопа также требует прецизионного формирования зонда туннельного микроскопа. Чтобы обеспечить высокое значение электрического поля (а следовательно, и туннельного тока) у поверхности зонда, его окончание  должно иметь атомарную остроту. В идеале на конце острия зонда должен находиться один атом. На рис. 14.17. схематически показана конфигурация «зонд–поверхность», реализующая эти требования [16, 17].

 

Рис.14.17. Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе

Для формирования топологического рельефа поверхности при сканировании в СТМ используют обратную связь, позволяющую поддерживать режим постоянного туннельного тока. В этом случае микроперемещения зонда в вертикальном направлении  будут такие, чтобы геометрическое расстояние в системе «зонд–подложка» оставалось постоянным. Следовательно, сканирование  в режиме постоянного туннельного тока  позволяет формировать морфологию поверхности на атомарном уровне, как показано на рис. 14.18, а.

В режиме постоянного среднего расстояния в системе «зонд–подложка» величина туннельного тока будет зависеть от рельефа поверхности, и эта зависимость также позволяет после обработки получить информацию о  морфологии поверхности.

 

Рис. 14.18. Формирование СТМ изображений поверхности: а - в режиме постоянного туннельного тока; б - в режиме постоянного среднего расстояния

С использованием туннельных микроскопов удается получить информацию о микрорельефе поверхностей твердых тел на атомарном уровне. Метод сканирующей зондовой микроскопии был обоснован и разработан в 1986 году, и в этом же году был впервые реализован сканирующий туннельный микроскоп, а затем и атомно-силовой микроскоп. Безусловно, что его практическая реализация потребовала решить целый ряд сложных технологических и технических вопросов. Ниже, на рис. 14.19, в качестве примера приведена микрофотография поверхности образца золота, размером 3´3 нм, показывающая возможность простых методов визуализации атомов [20, 21].

 

Рис. 14.19. Микрофотография поверхности образца золота, полученная с помощью атомного силового микроскопа