Сканирующие туннельные микроскопы

Самый первый сканирующий туннельный микроскоп был со­здан в Цюрихе (Швейцария) сотрудниками лаборатории фирмы IBМ Бинингом Г. и Рорером Г.. Принцип его действия основан на туннельном эффекте, позволяющем наблюдать и даже контролировать положение отдельных атомов, т.е. работать с точностью до нескольких ангстрем (1 Å= 10^-10м), которая на сего­дняшний день является максимальной для всех существующих научных и технических методик.

Главным элементом сканирующих туннельных микроскопов выступает очень тонкий металлический зонд (иногда его называют щупом или просто иглой), двигающийся вдоль поверхности. Между зондом и поверхностью приложено электрическое напряжение, в результате чего возникает туннельный ток, величина которого позволяет фиксировать неоднородности или иные особенности исследуемой поверхности. При этом зонд должен находиться на расстоянии 1 мкм (10^-6м) от образца, что является условием возникновения и поддержания туннельного тока (при более малых расстояниях возникает сильный электрический ток обычного типа, а при больших – туннельный ток становиться исчезающе малым). Положение зонда, следовательно, оп­ределяется некоторым фиксированным значением туннельного тока. Сканируя поверхность, подобно лучу в электронной трубке телевизо­ра, получается высокоточная картина состояния по­верхности. При идеальной «остроте» зонда (когда на его острие будет находиться один-единственный атом!) точность описания будет соот­ветствовать отдельным атомам. Небольшие изменения величины туннельного тока могут означать, например, изменения ориентации атома на поверхности.

В реальных установках, конечно, невозможно пользоваться столь тонкими, атомарными зондами, а применяются пьезоэлементы из специальной керамики, в которой изменения приложенного электрического напряжения вызывают механичес­кое сжатие. Такие пьзоэлементы уже широко применяются и в бы­товой технике, когда необходимо «перевести» электрические сиг­налы в механические колебания (например, для подачи звуковых сигналов в электронных часах и других устройствах). Технические проблемы работы с СТМ обусловлены тем, что движение зонда вдоль поверхности должно регистрироваться и контролироваться с исключительно высокой, атомарной точностью.

На рисунке приведена принципиальная схема работы сканирую­щего туннельного микроскопа и пример получаемых при этом СТМ-изображений поверхности. Изображение соответствует по­верхности кристаллического кремния, на которую нанесен один «ряд» атомов галлия.