Технiчнi можливостi тунельного мiкроскопа

ВСТУП

        Фізика поверхневих явищ в даний час є одним з найбільш інтенсивно розвиваючих розділів науки. Саме на фундаментальних дослідженнях в галузі фізики поверхні твердого тіла засновані успіхи сучасних мікро і наноелектроніки, дослідження різноманітних електронних, атомних і молекулярних процесів, що відбуваються на поверхні твердих тіл. Залишається актуальним завданням і заповітне бажання вчених протягом багатьох років - безпосереднє спостереження за поведінкою окремих атомів на поверхні твердого тіла і вивчення процесів за участю одиночних або невеликих груп атомів.

        Першорядне значення для розуміння властивостей будь-якого об'єкта має знання його атомної структури, тому визначення поверхневих структур - один з найбільш важливих розділів фізики поверхні. Останні 30 років мікроструктура поверхонь твердих тіл інтенсивно вивчалася методами дифракції та розсіювання електронних і іонних пучків. Однак більшість цих методів спочатку розроблялося для дослідження об'ємної структури твердих тіл, тому вони не завжди годяться для отримання інформації про структуру поверхні, тим більше на атомному рівні. Винахід в 1982 році Г. Бінніг і Г.Рорером скануючого тунельного мікроскопа, яка не накладає обмежень на розміри зразків, реально відкрило двері в новий мікроскопічний світ.

        Скануючий тунельний мікроскоп — мікроскоп, який дозволяє отримувати зображення поверхні твердого тіла практично на атомному рівні за рахунок тунелювання електронів(рис.1).

        Тунелювання або тунельний ефект — фізичне явище, яке полягає в тому, що фізичний об'єкт долає потенційний бар'єр, величина якого більша від його кінетичної енергії. Це явище існує завдяки хвильовій природі квантових процесів. В квантовій механіці частинки описуються хвильовими функціями, квадрат модуля яких задає густину ймовірності перебування частники в певній точці простору. Просторові розміри цих хвиль не є нехтуваними.

[pic 1]

                        Рисунок 1 – Скануючий тунельний мікроскоп

    1 ПРИНЦИП РОБОТИ СКАНУЮЧОГО ТУНЕЛЬНОГО МІКРОСКОПА

        За своєю природою електрон володіє як хвильовими, так і корпускулярними властивостями. Розрахунки показують, що хвильові функції електронів в атомі відмінні від нуля і за межами сфери, відповідні діаметру ефективного перетину атома (розміром атома). Тому при зближенні атомів хвильові функції електронів перекриваються раніше, ніж починає істотно позначається дію міжатомних сил відштовхування. З'являється можливість переходу електронів від одного атома до іншого. Таким чином, можливий обмін електронами і між двома тілами, що зближують без дотику, тобто без механічного контакту.

        1. у одного тіла повинні бути вільні електрони (електрони провідності), а в іншого - незаповнені електронні рівні, куди могли б перейти електрони;

        2. між тілами потрібно докласти різницю потенціалів, і її величина невимряна молю в порівнянні з тією, що потрібна для отримання електричного заряду при пробі повітряного діелектричного зазору між двома тілами.

        Електричний струм, що виникає при заданих умовах, пояснюється тунельним ефектом і називається тунельним струмом.

        1.2 Що таке тунельний ефект?

        Тунельним ефектом називається можливість елементарної частинки, наприклад електрону, пройти (протунелювати) через потенційний бар'єр, коли енергія бар'єру вище повною енергії частинки. Можливість існування тунельного ефекту в мікросвіті була зрозуміла фізиками в період створення квантової механіки, в 20-30-х роках нашого століття. Надалі за рахунок тунельного ефекту були пояснені деякі дуже важливі явища, виявлені експериментально в різних областях фізики.

        Принцип дії скануючого тунельного мікроскопа (СТМ) досить простий, але кардинально відрізняється від усіх попередніх методик, що застосовувалися в фізиці поверхні. Тонке металеве вістря, змонтоване на електромеханічному приводі (X, Y, Z-позиціонери), служить зондом для дослідження ділянок поверхні зразка (рис. 1а). Коли таке вістря підводиться до поверхні на відстань ≤10Ǎ , то при додатку між вістрям і зразком невеликого (від 0,01 до 10 В) напруги зміщення Vs через вакуумний проміжок δz починає протікати тунельний струм It порядку 10-9Å. Вважаючи, що електронні стану локалізовані на кожному атомному ділянці, при скануванні поверхні зразка в напрямку X і / або Y з одночасним вимірюванням вихідного сигналу в ланцюзі можна отримати картину поверхневої структури на атомному рівні.