Краткая история Ø 1981 год изобретение сканирующего

Краткая история Ø 1981 год – изобретение сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) Ø 1986 год – изобретение атомно-силового микроскопа (АСМ) Ø 1986 год – Нобелевская премия по физике за создание СТМ Ø 1990 год – создание промышленной технологии производства кантилеверов Heinrich Rohrer Ø 1990 год – начало развития второго поколения зондовых микроскопов Gerd Binnig 1

Классификация методов СЗМ Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) Сканирующая туннельная микроскопия Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля Сканирующая силовая микроскопия Контактная атомно-силовая микроскопия Бесконтактная атомно-силовая микроскопия Микроскопия латеральных сил Магнитная силовая микроскопия Микроскопия модуляции силы Электрическая силовая микроскопия Силовая микроскопия пьезоотклика Сканирующая емкостная микроскопия 2 Микроскопия зонда Кельвина

Физические основы сканирующей туннельной микроскопии туннельный ток чувствителен к: - зазору ΔZ между зондом и образцом (топография) - локальному потенциалу V - «локальной» работе выхода φ - локальной плотности электронных состояний ρ(ε) (спектроскопия)

Пространственное и энергетическое разрешение СТМ пространственное разрешение L достигает атомного масштаба при Rp ~ 1 nm φ ~ 4 e. V. энергетическое разрешение определяется размытием уровня Ферми зонда ~ k. T

Изготовление зонда из W проволоки методом электрохимического травления ØИзготовление СТМ зондов ð электрохимическое травление вольфрамовой проволоки ð перерезание тонкой проволоки из Pt. Ir сплава

Режимы постоянного тока и постоянного зазора в СТМ • • в режиме постоянного тока сигнал, вырабатываемый следящей системой несет информацию о топографии поверхности. в режиме постоянной высоты (быстрое сканирование) информация о топографии поверхности содержится в туннельном токе, а следящая система компенсирует вибрации и термодрейфы (в этом режиме при больших перепадах рельефа можно сломать зонд).

Упругая туннельная спектроскопия полупроводников • измеряются вольт-амперные характеристики I(V) и их производные d. I(V)/d. V при разорванной петле обратной связи • возможно определение краев зоны проводимости и валентной зоны относительно уровня Ферми • для исключения влияния туннельного зазора, значение d. I/d. V нормируется на проводимость контакта I/V

Упругая туннельная спектроскопия сверхпроводников • измеряются вольт-амперные характеристики I(V) и их производные d. I(V)/d. V при разорванной петле обратной связи • можно измерить энергетическую щель в плотности электронных состояний сверхпроводника и ее пространственное распределение по поверхности образца

Неупругая электронная туннельная спектроскопия если энергия туннелирующих электронов e. V больше чем энергия ћω возбуждений, существующих в туннельном контакте, то открывается дополнительный неупругий канал туннелирования, увеличивающий общий ток через контакт. можно измерить молекулярные спектры (аналог ИК спектров), энергию фононов, плазмонов и т. п.

Эффекты одноэлектронного туннелирования в локальных туннельных контактах • в области между зондом и образцом локализована малая проводящая частица с малой емкостью • при низких температурах ее емкостная энергия может быть больше, чем тепловая энергия • туннелирующий электрон, попав на эту частицу, создает Куллоновскую блокаду для следующих за ним электронов, туннелирование электронов прекращается до тех пор, пока внешнее напряжение не снимет блокаду • в результате на вольт-амперной характеристике появляются ступеньки ( пики на первой производной), количество ступенек коррелирует с количеством электронов, захваченных частицей.

СТМ-изображения поверхности Ga. As с квантовыми точками In. As 0. 4 Х 0. 4 мкм,

STM Topographic Image of Si (100) Temperature: 63 K Field of View: 3 nm x 3 nm Dr. YOKOYAMA in Yokohama city Univ.

STM Topographic Image of Si (111) Tempetature: 4. 2 K Bias voltage: 0. 84 V Tunnel current: 1. 04 n. A Field of veiw: 10 nm x 10 nm Yutaka Miyatake Unisoku Co. , Ltd.

STS Image of vortex lattice of a superconductor Nb. Se 2 Temperature: 1. 8 K Field: 1 T, Field of View: 600 nm x 600 nm H. F. Hess et al. Bell Labs Phys. Rev. Lett. 62, 214 (1989) Temperature: 400 m. K Field: 0. 5 T Environment: UHV Field of View: 250 nm x 250 nm Dr. HANAGURI in Magnetic Materials Laboratory, RIKEN

Бактерии, анти-тела, клетки ( ССМ-изображения)

Микроскопия электростатических сил

Многопроходная методика

Сканирующая емкостная микроскопия Изображение предоставлено A. Иконниковым, Гос. НИИ физических проблем & НТ-МДТ, Москва, Россия.

Магнитная силовая микроскопия • • • для исключения влияния топографии поверхности на магнитные измерения используют 2 -х проходную методику на первом проходе в контактной или полуконтактной моде измеряют топографию поверхности. Затем зонд отодвигают от поверхности на расстояние Z 0 где действует магнитная сила и производят сканирование, повторяя рельеф поверхности, измеренный во время 1 -го прохода. Наилучший контраст на магнитных изображениях получают при использовании модуляционных методик

Магнитная силовая микроскопия Magnetic-force microscopy of Vortex Lattice, Nb film, 40 G, 4. 3 K A. Volodin et al. Katholieke Universiteit Leuven Europhys. Lett. 58, 582 (2002)

Наномодификация поверхности с помощью СЗМ В области контакта действуют высокие механические давления Р, электрические поля Е и плотности токов j • Е ~ 108 V/cm • j ~ 109 А/см 2 • Р ~ 109 N/см 2 Используемые явления: - нагрев пластическая деформация поляризация электрохимические реакции, включая окисление - полевое испарение - mass transfer by the ionic currents - массоперенос ионными токами

Динамическая силовая литография F/R 2 P > τS (предел пластической деформации образца) F/R 2 P < τP (предел пластической деформации зонда)

Литография с помощью локального оксидирования в присутствии паров воды под действием электрического импульса происходит окисление Ti, Si, Ga. As

Манипуляция отдельными атомами с помощью СТМ Ø Прикладывая электрическое поле с помощью зонда СТМ можно перемещать отдельные атомы по поверхности образца Ø Получаем простейший атомарный СТМ Зонд конструктор Ø Исследование продукта (визуализацию) также можно проводить с помощью СТМ Перемещаемый атом Образец Исследование наноматериалов 24

Манипуляция отдельными атомами с помощью СТМ Ø Стадии конструирования квантового коралла из 48 атомов железа на поверхности меди Ø Наблюдаемые стоячие волны – суперпозиция собственных состояний электронов внутри такого квантового загона Исследование наноматериалов 25

Манипуляция отдельными атомами с помощью СТМ Еще квантовые кораллы… Исследование наноматериалов 26

Нанотехнологическая фабрика «Nano. Fab» на базе сканирующего зондового микроскопа-литографа разработка ЗАО «Нанотехнологии -МДТ» , Зеленоград