Рассмотренный принцип работы микроскопа для исследования структуры поверхности материала или шлифа, основанный на использовании в качестве инструмента измерения туннельного тока, был сформулирован в начале XX века после открытия основных положений квантовой механики.
Однако практические трудности по разработке высокоточных двигателей для перемещения острия зонда, регистрирующих и следящих приборов, задержали появление конструкции туннельного микроскопа вплоть до конца XX столетия.
Первый прибор был создан в 1982 году сотрудниками исследовательской лаборатории фирмы IBM в Рюшликоне (Швейцария). За создание прибора Герду Биннингу (Швейцария) и Генриху Рореру (Германия) в 1986 году была присуждена Нобелевская премия [1].
Блок-схема СТМ, работающего в режиме постоянного туннельного тока, представлена на рис. 3.
Рис. 3. Блок-схема сканирующего туннельного микроскопа:1 – двигатели для перемещения зонда по осям X, Y, Z; 2 – двигатель для перемещения объекта по оси Z; Ux, Uy, Uz, - напряжения, подаваемые на двигатели 1; Uz’ – напряжение, подаваемое на двигатель 2; U – разность потенциалов между зондом и объектом; Iт – туннельный ток
Зонд перемещается в плоскости объекта XY и по нормали к ней Z с помощью трёх двигателей 1. Объект подводится к острию зонда с помощью двигателя 2.
От цифроаналогового преобразователя (ЦАП) подаются напряжения Uxи Uy на Х-, Y-двигатели 1, управляющие сканированием зонда в плоскости XY объекта. На Z-двигатель 1 подается напряжение Uz обратной связи Uz = f(Iт), и двигатель начинает перемещать зонд по нормали к поверхности объекта до тех пор, пока туннельный ток Iт цепи зонд – образец не будет стабилизирован на заданном уровне. Таким образом, изменение Uz при сканировании поверхности Uz = f(Ux, Uy) будет количественно отражать характер изменения рельефа поверхности z= f(x, y). Для регистрации этих зависимостейиспользуется компьютер, обрабатывающий сигнал из АЦП. Это позволяет быстро менять параметры эксперимента, проводить математическую обработку трёхмерного массива данных, запоминать и выводить данные в различной форме. Сигнал на АЦП поступает из предусилителя, который служит для усиления туннельного тока.
Электронные устройства, используемые в СТМ, традиционны, и вся специфика прибора в основном связана с конструкцией двигателей перемещения зонда и образца. К этим двигателям предъявляются жесткие и отчасти противоречивые требования.
Во-первых, они должны обеспечивать по возможности большие перемещения при высокой жесткости устройства, что необходимо для защиты СТМ от механических вибраций. Поэтому они должны обладать высокими частотами собственных механических колебаний, что желательно также и для обеспечения быстродействия.
Во-вторых, задаваемые перемещения должны быть воспроизводимы и, по возможности, линейно зависеть от управляющего напряжения.
В-третьих, учитывая, что даже в термоскомпенсированной конструкции локальные источники тепла приводят к изменению температуры по направлению (появлению градиента температур) и вызывают искажения линейных размеров деталей конструкции микроскопа, необходимо уменьшать мощность управляющих сигналов.
Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют двигатели из пьезокерамики, обладающей высоким коэффициентом преобразования электрической энергии в механическую (до 40 %).
Далее устройство и принцип работы СТМ будут подробно рассмотрены на примере сканирующего туннельного микроскопа СММ-2000Т (сканирующий мультимикроскоп туннельный), разработанного российским предприятием "КПД".
В состав микроскопа СММ-2000Т входят: сетевой фильтр, защищающий электронику микроскопа от возможных высокочастотных импульсов питающей сети; блок питания, выдающий высокостабилизированное напряжение; блок электроники, обеспечивающий перевод измеряемых аналоговых сигналов в цифровые и цифровых сигналов в управляющие аналоговые, контроль туннельного тока, выдачу управляющих сигналов на пьезодвигатели перемещения зонда и образца; программное обеспечение, управляющее процессом обработки цифровой информации, поступающей от блока электроники; головка микроскопа со сканером.
Головка микроскопа СММ-2000Т (рис. 4) состоит из корпуса 16 диаметром 150 мм с крышкой 1 , внутри которого на вибропоглощающих прокладках стоит основание 11 микроскопа. Корпус 16 стоит на трех ножках 13 с резиновыми шариками 14 на конце. Эти ножки имеют возможность выдвигаться на 20 мм и фиксироваться в выдвинутом состоянии, чтобы установить головку горизонтально головки.
Внутри корпуса головки в нижней его части находится предусилитель 15 (электронный блок). В предусилителе туннельный ток, малую величину которого (наноамперы) сложно измерить, при прохождении через мощное сопротивление (R=2 МОм) преобразуется в "высокое" напряжение Uт (милливольты), регистрируемое электронным блоком. Величина этого напряжения Uт при сканировании поддерживается блоком электроники на постоянном уровне. Отклонение напряжения от этого уровня в процессе сканирования служит сигналом, формирующим соответствующее напряжение Uz, управляющее пьезодвигателем подачи зонда по нормали к поверхности объекта.
Вторая функция предусилителя состоит в том, что он задаёт напряжение U'z, управляющее двигателем подачи столика 9 с образцом 7 (см. рис. 4).
На основании головки собраны две конструкции: сканер 4 для перемещения зонда (иглы) 6 и столик 10 для перемещения образца.
Сканер 4 имеет две ступени перемещения зонда. Одна из них – перемещение зонда вручную с помощью XY-винтов 17 вдоль плоскости образца, укреплённого держателем образца 8 под 45о к горизонту. Диапазон ручного перемещения зонда составляет около 5 x 5 мм. Перемещение осуществляется при опускании вниз стопорной защёлки 2 и используется только для предварительного подведения иглы к месту исследования.
На второй ступени перемещение зонда во время сканирования по осям X и Y обеспечивается двумя двигателями в виде трубки из пьезокерамики, приклеенной к фланцу, закрытому крышкой сканера 3. Зондом является платиновая игла, впаянная в держатель иглы 5 из нержавеющей стали. При изготовлении зонда кончик платиновой проволоки диаметром 0,8 мм срезают под углом 45о с приложением небольшой разрывной силы. При разрывании платины образуются несколько микроскопических острий длиной порядка микрона и радиусом закругления прядка 1 нм. Обычно самое длинное острие выдаётся на расстояние сотен Ангстрем за все остальные острия. Это острие (игла) и является зондом при сканировании. Перемещение зонда перпендикулярно плоскости XY по оси Z осуществляется Z -пьезодвигателем, также имеющим вид пьезокерамической трубки.
Столик 10 для перемещения образца представляет собой диск из лёгкого дюралюминиевого сплава жёсткой конфигурации, на котором через керамические изолирующие шайбы крепится держатель образца. Столик имеет высокоточные кварцевые направляющие, скользящие по трём стальным шарикам. Одна из кварцевых направляющих плоская, для того чтобы несоосность двух других направляющих или неточность установки стальных шариков убирались автоматически.
45о с приложением небольшой разрывной силы. При разрывании платины образуются несколько микроскопических острий длиной порядка микрона и радиусом закругления прядка 1 нм. Обычно самое длинное острие выдаётся на расстояние сотен Ангстрем за все остальные острия. Это острие (игла) и является зондом при сканировании. Перемещение зонда перпендикулярно плоскости XY по оси Z осуществляется Z -пьезодвигателем, также имеющим вид пьезокерамической трубки.