Силовая туннельная микроскопия

Первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) был создан сравнительно недавно, в 1982 году. Тем не менее, в настоящее время он нашёл применение во многих научных и производственных лабораториях, и область его использования продолжает интенсивно расширяться.

Интерес к СТМ объясняется его уникальным разрешением, позволяющим проводить исследования на атомном уровне. При этом для работы микроскопа не требуется высокий вакуум, в отличии от электронных микроскопов других типов. Он может работать на воздухе и даже в жидкой среде.

Применение СТМ позволяет выявить особенности кристаллического строения поверхности различных материалов, её шероховатость с нанометровым разрешением, наблюдать закономерности зародышеобразования при выращивании плёнок, изучать вирусы, молекулы ДНК и т.д.

По своей природе электрон обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Его поведение описывается с помощью решения уравнения Шрёдингера – волновой функции, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения электрона в данной точке пространства в данный момент времени.

Расчёты показывают, что волновые функции электронов в атоме отличны от нуля и за пределами сферы, соответствующей поперечнику эффективного сечения атома (размеру атома). Поэтому при сближении атомов волновые функции электронов перекрываются раньше, чем начинает существенно сказываться действие межатомных сил отталкивания. Появляется возможность перехода электронов от одного атома к другому. Таким образом, возможен обмен электронами и между двумя телами, сближенными без соприкосновения, то есть без механического контакта.

Для обеспечения направленного движения электронов (электрического тока) между такими телами необходимо выполнение двух условий:

1. у одного тела должны быть свободные электроны (электроны проводимости), а у другого – незаполненные электронные уровни, куда могли бы перейти электроны;

1. между телами требуется приложить разность потенциалов, и её величина несоизмеримо мала в сравнении с той, что требуется для получения электрического разряда при пробое воздушного диэлектрического зазора между двумя телами.

Электрический ток, возникающий при заданных условиях, объясняется туннельным эффектом и называется туннельным током.

На практике явление туннелирования в СТМ реализуется, когда один из проводников представляет собой иглу (зонд) 1, а другой – поверхность исследуемого объекта 3 (рис. 1).

Рис. 1. Схема протекания туннельного тока между зондом и объектом: 1 - зонд; 2 – пучок электронов; 3 – объект (образец); U – разность потенциалов между зондом и объектом; I_Т – туннельный ток; L – расстояние между зондом и объектом; F – площадь туннельного контакта

Электронам проводимости на острие зонда 1 необходимо получить определенную энергию, чтобы перейти в зону проводимости объекта 3. Величина этой энергии зависит от расстояния между зондом и поверхностью объекта L, разности потенциалов между ними U и величинами работы выхода электронов F₁ и F₂ с поверхности зонда и поверхности исследуемого объекта соответственно.

При сближении зонда и поверхности объекта на расстояние L 0,5 нм (когда волновые функции электронов ближайших друг к другу атомов зонда и объекта перекроются) и приложении разности потенциалов U 0,1…1 В, между зондом и объектом возникает ток, обусловленный туннельным эффектом:

(1)

где e = 1,6 x 10^-19 К – заряд электрона; n 10²⁸ м^-3 – концентрация электронов проводимости; V 10⁶ м/с –скорость электронов; F – площадь поперечного сечения пучка электронов; D – вероятность прохождения электронов через зазор L в режиме туннельного эффекта, которая может быть оценена формулой

, (2)

(здесь

, (3)

где m – масса электрона, m = 9,1095 кг; Ф – величина эффективного энергетического барьера системы зонд-объект; - постоянная Планка, Дж·с).

Для подавляющего большинства пар зонд-объект значение эффективного энергетического барьера составляет , и, как следует из расчёта по формуле (3), k₀ ^-1_.

При оценке туннельного тока I_т полагают, что поток электронов "стекает с крайнего атома" на кончике иглы, образуя пучок электронов 2 (см. рис. 1) диаметром порядка 0,4 нм (что обеспечивает высокую разрешающую способность микроскопа по плоскости объекта). В этом случае площадь поперечного сечения пучка электронов F 10^{-19 м2} .

Подставив расчётные параметры в уравнение (1), получим ориентировочные значения туннельного тока:

I_т 3 10^-9 А

Туннельный ток экспоненциально зависит от расстояния между зондом и образцом. Расстояние L входит в показатель степени экспоненциальной зависимости D от L - см. формулу (2) - и, соответственно, влияет на значение I_т - см. формулу (1). Поэтому при увеличении расстояния только на 0,1 нм показатель D и, соответственно, туннельный ток I_т уменьшаются почти в 10 раз.Это обеспечивает высокую разрешающую способность микроскопа по высоте объекта, поскольку незначительные изменения по высоте рельефа поверхности вызывают существенное увеличение или уменьшение туннельного тока.

Сканирующий туннельный микроскоп функционирует следующим образом (рис. 2).

Рис. 2. Схема перемещения зонда над поверхностью объекта

Зонд подводят по вертикали (ось Z) к поверхности образца до появления туннельного тока. Затем перемещают зонд над поверхностью по осям X, Y (сканирование), поддерживая ток постоянным посредством перемещения иглы зонда по нормали к поверхности. При сканировании зонд остаётся на одном и том же расстоянии Lот поверхности образца. Вертикальное перемещение зонда для сохранения расстояния L прямо отражает рельеф поверхности образца.

При работе СТМ расстояние между объектом и зондом L 0,3…1 нм, поэтому вероятность нахождения между ними молекул воздуха при нормальных атмосферных условиях очень мала, т.е. протекание туннельного тока происходит в “вакууме”. Окружающая среда влияет только на чистоту исследуемой поверхности, определяя химический состав адсорбционных слоёв и окисление её активными газами атмосферы.

Отсюда вытекает важный для практического применения принцип работы СТМ: для работы сканирующего туннельного микроскопа вовсе не требуется высокий вакуум, как в растровом электронном или трансмиссионном микроскопе