Сканирующая туннельный микроскоп СТМ Сканирующий туннельный микроскоп

Сканирующая туннельный микроскоп (СТМ)

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) был изобретен в начале 1980 -х Гедом Биннигом и Генрихом Рорером (Gerd Binnig, Heirich Rohrer, IBM), которые в 1986 году за это изобретение получили Нобелевскую премию по физике Герд Бинниг Генрих Рорер Немецкий физик, Дата рождения: 6 июня 1933, Швейцария Дата рождения: 20 июля 1947

Схема - СТМ Основные компоненты: 1. Атомно-острая игла (W, Pt-Ir, Pt. Rh) 2. Сканер; 3. Электромеханическая обр. связь для контроля промежутка игла-образец; 4. Компьютерная система управления положения иглы, сбора данных и преобразования их в изображение 5. Система грубого подвода иглы 6. Виброизоляция 4 3 1 2

Энергетическая диаграмма туннельного контакта игла-образец Обр. связь D(V) – плотность электронных состояний, d –туннельный зазор, A константа |Vs| < 5 В при Vs < 0 : СТМ будет зондировать заполненных электронных состояний ~ 1 нм Vs > 0

Протекание тока через туннельный промежуток E 0 Us < 0 Us Us > 0 Us Us < 0 : Картина (СТМ изображение) заполненных электронных состояний образца Us > 0 : Картина свободных (незанятых) электронных состояний образца

Протекание тока через туннельный промежуток

Пространственное разрешение СТМ 1) Экстремально высокое разрешение по Z связано exp зависимостью тока от d: при изменении d на 1 Å - It меняется на порядок !! Если ток поддерживается с точностью 2%, то промежуток остается неизменным с точностью 0, 01 Å !! 2) Горизонтальное разрешение определяется тем, что 90% от It протекает между «последнего» атома иглы и ближайшим к нему атомом поверхности. В СТМ можно различить атомы поверхности, находящиеся на расстоянии ~ 2 Å !! 3) СТМ не столько к положению атома, а точнее к локальной плотности электронов.

Разработка сканера СТМ образец E игла грубый подвод а – Напряжение U, приложенное к двум сторонам пьезоэлектрического материала, приводит к его сжатию или расширению. Обычно изменение размеров пьезоэлектрика составляет несколько микрон. б - Свободный от трения, но весьма чувствительный к вибрациям пьезопривод. в - Пьезопривод в виде жесткой треноги (трипод) в настоящее время применяется чаще всего наряду со сканирующими устройствами. виброизоляция сканер

Omicron: STM-1

Сегментированная пьезокерамическая трубка универсальный сканирующий элемент Y X X

Схема и фото сканеров «ВСТМ-1» и «GPI-300»

Система виброизоляции СТМ

CТМ «ВСТМ-1» на cхеме и в СВВ установках

Экспериментальная СВВ установка с «ВСТМ-1» СТМ, ДМЭ-камера дифрактометр натекатели газа медл. электр. Шлюзовая камера Аналитическая камера ионная пушка масс-спектрометр «ВСТМ-1» Pост. =8 x 10 -11 Торр держатели образца напылительные ячейки Cu, Ag, Au (Q =0, 1 МС/мин) Электр. ожеспектрометр

CТМ «ВСТМ-1» и «GPI-300» в СВВ установках

Обратная связь стабилизации туннельного тока Ошибка системы стабилизации: DI = It – Io, где It-реальный туннельный ток, а Io = Сonst – требуемый туннельный ток (ток стабилизации) DUz = KP × DI + KI × 1/t × Это две части (P и I) полного PID-регулятора, используемого в системах автоматического регулирования. Знаки KP и KI выбирается так чтобы при возрастании DI , d (игла-образец) убывало и наоборот (Отрицательная обратная связь). • аналоговая обр. связь • цифровая обр. связь

Геометрия зонда и связанные с ней искажения СТМ изображения Искажение изображения профиля поверхности вследствие конечной величины отношения аспекта и радиуса закругления острия a Параметры геометрии зонда: r, a, W(L)

Методика изготовления СТМ зондов. Изготовление игл для СТМ может осуществляться путем механической, химической или электрохимической обработки. Для исследования атомно-плоских поверхностей макроскопическая геометрия зонда не важна, поэтому заострение проволоки осуществляется путем ее механического скусывания под углом 45 градусов. Очень острые иглы получаются путем электрохимического травления тонкой проволоки (диаметром ~ 0, 2 мм) в щелочном растворе (1 - или 0, 5 молярный водный раствор KOH или Na. OH) при воздействии постоянного напряжения. В качестве материала для второго электрода при этом

Пример ПЭМ изображений приготовления W-игл для СТМ Philips CM-30 (300 кэ. В) Ar+ ; E=1 кэ. В D=3 мм h = 100 мкм а) t=0 min: Oxide layer; b) t=40 min; c) t=140 min; d) t=260 min; E=1. 0 ke. V, Current dens. = 20 mk. A/cm 2

СТМ изображение Cu(100) c атомным разрешением DX ~ 0, 2 Å !

Получаемые на «ВСТМ-1» изображения (а) СТМ изображение пленки Cu. I на Cu(110), (b) Сечение вдоль А-А, шум по Z менее 0, 01Å Письма в ЖЭТФ, 83, 2006, с. 195 СТМ изображения Cu(100), полученные • Письма в ЖЭТФ. -1995. V. 62. p. 431 острой W-иглой (Us = +0, 7 В, It = 0, 8 н. А) • Phys. Low-Dimen. Struct. 1996. V. 9/10. p. 7.

Структура реконструированной поверхности SI(111)-(7 x 7) Vs<0 Vs>0

ИОФРАН, СТМ «GPI-CRYO»

ИОФРАН, «GPI-CRYO» (параметры) Диапазон рабочих температур 4. 9÷ 300 К Стандартные опции Топография, спектроскопия Максимальная область сканирования (X, Y, Z) При Т = 5 К При Т= 300 К Минимальный шаг при сканировании (X, Y. Z) 2 2 3 мм Точность позиционирования зонда 0. 1 нм Точность измерения межатомных расстояний 4. 0 1 мкм 0, 001 Å Область позиционирования (X, Y, Z) 650 150 нм 0. 01 нм Разрешение спектроскопия, чувствительность Атомное разрешение на Au(100) Туннельная 0. 1 н. А/В Механизм подвода и позиционирования Пьезо-инерционный Диапазон туннельного тока 0, 01 10. 0 н. А Температурный дрейф 0. 5 нм/град Резонансная частота сканера Тип обратной связи 3. 14 к. Гц Цифровая, ADSP 2181 Размер образца (X, Y, Z) 6 x 6 x 2 мм Базовое давление в вакуумной камере 1 x 10 -10 Торр

Литература 1. R. Wisendanger, Scanning probe Microscopy and spectroscopy, methods and application. Cambridge University Press, 1994, p. 1 -157. 2. К. Оура, В. Г. Лифщиц, А. А. Саранин, А. В. Зотов Введение в физику поверхности. – М. : Мир, 2006. 3. Р. З. Бахтизин. Сканирующая туннельная микроскопия - новый метод изучения поверхности твердых тел. СОЖ, 2000, т. 6, № 11, 1 -7. 4. В. С. Эдельман. Сканирующая туннельная микроскопия (обзор). ПТЭ, 1989, № 5, с. 25. 5. Park. Scientific Instruments, How to buy a SPM, . 1993. 6. C. Bai. STM and its application, Springer-Verlag, 2000, 1 -357. 7. Y. Kuk. P. J. Silverman, STM Instrumentation, Rev. Sci. Instrum. 1989, v 60, N 2, p 165 -181. 8. Лифшиц В. Г. Современные приложения СТМ для анализа и модификации поверхности. СОЖ, 2001, т. 7, № 5, 110 -116. 9. Г. Бинниг, Г. Рорер СТМ – от рождения к юности. Нобелевская лекция по физике, УФН, т. 154, вып. 2, 261 -277. 10. J. A. Kubby and J. J. Boland. STM of semiconductor surfaces. Surface Science Reports, 1996, 26, 61 -204.