Сканирующий туннельный микроскоп

Сканирующий туннельный микроскоп основан на квантовом эффекте, который не имеет аналогов в классической физике. Согласно классической механике материальное тело имеющее энергию Е не может преодолеть потенциальный барьер. Например, мяч не перелетит высокий барьер, если ему не сообщить энергии достаточной для подъёма на данную высоту. Чтобы мяч массой m оказался по другую сторону забора высотой h нужно в нижней точке сообщить ему E=mv² больше чем в верхней точке v=mgh. Однако если в заборе имеется дырка или туннель, то мяч может оказаться за забором почти без дополнительной энергии.

Для того, чтобы преодолеть ядра и покинуть атом электрон должен приобрести дополнительную энергию, эта энергия равна работе выхода электрона. Однако в отличие от мяча электрон обладает корпускулярно волновыми свойствами, которые описываются с помощью волновой функции распределённой в пространстве, так же как волна присутствует сразу во всех точках пространства, так и электрон имеет вероятность оказаться за барьером.

Если два проводящих образца поместить на расстоянии Х (10^-10 метра), то волновые функции электронов ближайших друг к другу атомов перекрывается, при этом для электрона с энергией меньшей потенциальной энергией барьера существует нулевая вероятность оказаться с другой стороны барьера, как если бы в барьере открылся туннель. Если к образцам приложить разность потенциалов, то между ними возникает электрический ток, который называется туннельным током. Величина туннельного тока зависит от расстояния между поверхностями (Х), вычисляется по формуле:

I_t=I₀exp(-kx); k=

H – постоянная планка.

Ф – работа выхода.

К – константа затухания.

При изменении зазора 0.1 нм ток I_t меняется примерно 10 раз, такая сильная зависимость тока лежит в основе работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Основной частью СТМ является зонд – острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью почти касаясь её, зазор между иглой и поверхностью составляет менее 1нм. Между остриём иглы и поверхностью возникает туннельный ток, экспоненциальная зависимость обеспечивает высокую чувствительность микроскопа.

Существует два варианта СТМ в зависимости от режима сканирования образцов:

1) Режим постоянной высоты, остриё иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, а I_t изменяется в зависимости от расстояния между иглой и поверхностью.

2) В режиме постоянного тока, применяется система обратной связи для поддержания туннельного тока постоянным путём подстройки высоты сканирующего устройства над поверхностью каждой её точки.

Перемещение зонда над поверхностью с точностью до тысячных долей нанометра обеспечивается механическим прицезионным манипулятором, который изготавливается из пьезокерамического материала. Пьезоэффект состоит в изменении размеров образца под действием разности потенциалов и наоборот при деформации образца образуется разность потенциалов. Изображение основанное на измерении туннельного тока получаемое с помощью микроскопа дают информацию о пространственном распределении электронных облаков вблизи поверхности.

Основными частями СТМ являются:

1) Зонд, иголочка из вольфрама, плетоноиридиевого сплава.

2) Манипулятор грубого перемещения (до 0,1 мм).

3) Пьезоэлектрические двигатели для прицезионнго перемещения.

4) Электронная цепь обратной связи для контроля вертикальным движением сканирующего устройства.

5) Компьютер со специальным программным обеспечением.

Основные характеристики СТМ:

1) Разрешение СТМ определяется качеством острия нашего зонда, для вольфрамового острия, на конце которого располагается всего 1 атом, разрешение составляет 0.3 нм.

2) Полисканирование СТМ может составлять несколько 10 микрометров (достаточно образца 3милиметра²).

3) Скорость сканирования СТМ сопоставима со скоростью компьютерной обработки информации.

4) Рабочей средой СТМ может быть как вакуум, так и вохдух, жидкости диэлектрические, при широком диапазоне температур.

Атомно-силовой микроскоп

Атомно-силовой микроскоп (1986 г.), сходен с принципом действия туннельного микроскопа. Измеряет силу связи атомов. Приближение иглы приводит к тому, что атомы иглы всё сильнее притягиваются к атомам образца, сила притяжения будет возрастать пока игла и поверхность не сблизятся настолько, что их электронные облака начнут электростатически отталкиваться, при дальнейшем сближении электростатическое отталкивание экспоненциально ослаблсяет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются на расстоянии между атомами 0.2 нм. В качестве зонда АСМ обычно используется алмазная игла с радиусом закругления менее 10 нм, закреплённая вертикально на конце горизонтальной пластинки – консоли.

Острие сканирующей иглы называется tip, а консоль – cantilever. При изменении силы действующей между поверхностью и остриём консоль откланяется и это регистрируется датчиком (лазерный луч). Лазерный луч отражается на фотодиот, показания затем передаются на компьютер. Преимущество – возможность исследовать структуру электропроводящих образцов и не электропроводящих материалов.

Разновидности АСМ:

1) Магнитносиловой микроскоп, в качестве зонда используется намагниченное остриё. Его взаимодействие с поверхностью образца позволяет регистрировать магнитные микрополя и представлять их в виде карты намагниченности.

2) Электросиловой микроскоп, остриё и образец рассматриваются как конденсатор, и измеряется изменение ёмкости вдоль поверхности образца.

3) Сканирующий тепловой микроскоп. Регистрирует распределение температуры по поверхности образца, разрешение достигает 50 нм.

4) Сканирующий фрикционный микроскоп. Зонд скребётся по поверхности, оставляя карту сил трение.

5) Магнитно резонансный микроскоп.

6) Атомносиловой акустический микроскоп.

 

№4 Физические методы исследований.

Разделяют электрофизические и термические методы.