Туннельная сканирующая микроскопия

АВТОИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

Метод автоионной микроскопии (АИМ) основан на автоионизации атомов формирующего изображение газа вблизи поверхности образца, находящегося в электрическом поле. Вероятность прямой ионизации газа в электрическом поле может быть высокой, если на расстояниях, соизмеримых с размерами атомов (молекул) газа, создать падение потенциала, близкое к потенциалу ионизации этой частицы.

Атом газа, формирующего изображение, ионизуется на некотором расстоянии от поверхности путем туннелирования его валентных электронов в металл. Механизм этой ионизации обусловлен изменением потенциала поверхности и атома газа в присутствии сильного электрического поля.

Важными понятиями в автоионной микроскопии являются: поле наилучшего изображения и напряжение наилучшего изображения, которым соответствует наилучший контраст. При достаточно высоких электрических полях протекают процессы десорбции, которые позволяют реализовать следующие режимы работы ионного проектора:

· ионизация и устранение загрязнений, адсорбированных окислов с поверхности острия;

· сглаживание выступов и неровностей, что создает образец с регулярной гладкой формой;

· контролируемое удаление атомных слоев, что позволяет исследовать пространственное строение атомной структуры материала образца.

ПРИМЕНЕНИЕ

АИМ применяется для изучения атомной структуры чистых металлов и различных сплавов и ее связи с их механическими свойствами. Наиболее полно возможности метода проявляются при исследовании точечных дефектов.

В основе интерпретации изображения на люминесцентном экране, положено следующее предположение. Поскольку в области «выступов» на поверхности острия напряженность электрического поля достигает величин 108 В/см и более, то этого достаточно для эффективной ионизации атомов рабочего газа и образования под действием ускоренных ионизированных атомов свечения люминофора. В случае образования «ямок» на поверхности острия картина

формирования изображения противоположная, т.е. ионизации атомов рабочего газа не происходит, и на экране образуются темные области. Типовое увеличение в АИМ достигает величин М = 10⁵ –10⁶, поэтому получаемое изображение позволяет изучать на атомном уровне практически все существующие дефекты кристаллической структуры (например, единичные точечные дефекты – вакансии, собственные и примесные атомы в решетке).

Наиболее широко АИМ применяется для исследования тугоплавких металлов и их сплавов, так как при высоких напряженностях электрического поля, необходимых для автоионизации, возникают большие механические напряжения, разрушающие образцы. В качестве газа, формирующего изображение, используются: гелий для металлов с температурой плавления выше Т_пл = 2273 К, неон для металлов с Т_пл = 1273 – 2273 К, аргон – для металлов с Т_пл = 873 – 1273 К.

***

ОЖЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ

Образование оже-электронов возможно под действием первичного излучения (ионов, электронов, рентгеновских квантов). Эмиссию оже-электронов можно пояснить схемой энергетических уровней.

Первичный электрон, падающий на мишень с достаточно высокой энергией (от 1000 до 3000 эВ), выбивает электрон внутренней оболочки атома. При этом из возбужденного состояния атом может вернуться в основное одним из нескольких возможных путей. Так, на вакантный уровень во внутренней оболочке может перейти электрон с более высокого энергетического уровня. Освободившаяся при этом энергия может быть испущена в виде фотона обычного характеристического рентгеновского излучения. Но эта энергия может быть передана и другому электрону в атоме, который тогда сможет покинуть атом и образец. Кинетическая энергия такого электрона определяется исключительно разностью энергий, показанной на рисунке. Такой электрон и называют оже-электроном. Анализ по энергиям этих частиц (называемый ОЭС) позволяет определить химическую природу атомов точно так же, как и анализ характеристического рентгеновского излучения.

 

Оже-эффект связан с ионизацией атома в результате соударения первичного электрона с электроном на одной из внутренних оболочек атома (K, L, М, N, O), на которой возникает вакансия

За очень короткое время (10^-14 – 10^-16 с) происходит переход электрона с более высоких оболочек на образовавшуюся вакансию. Выделившаяся в результате такого перехода энергия может либо перейти в энергию γ-кванта (радиационный переход), либо перейти к электрону одной из внешних оболочек, который покидает атом и регистрируется как оже-электрон.

По значению энергии оже-электрона можно определить разницу энергий атома в ионизированном состоянии и в состоянии с наименьшей энергией. Так как энергии электронов на оболочках различных химических элементов различны, это дает возможность химического анализа исследуемого материала. По величине энергии и количеству оже-электронов, эмиттируемых с поверхности мишени в результате, например, электронной бомбардировки, можно определить тип атомов и их количество в мишени. При этом ОЭС не позволяет индицировать только два химических элемента – водород и гелий.

ПРИМЕНЕНИЕ

Анализ поверхности методом оже-спектроскопия (ОЭС) позволяет изучать физические и химические свойства поверхности, осуществлять входной и выходной контроль материалов, оценивать степень чистоты обработанных поверхностей и выполнять анализ изменений состояния поверхности, например, при отказах изделий электронной техники. Сочетая в одном приборе растровую электронную микроскопию (РЭМ) с электронной оже-спектроскопией (ОЭС), можно получать информацию как о структуре, так и о химическом составе материала с очень высокой локальностью по глубине.

Цель качественного анализа поверхности твердых тел методом ОЭС – определить наличие того или иного элемента, получить, если это возможно, информацию о химических связях этого элемента с компонентами матрицы и дать приблизительную оценку его концентрации.

Количественный анализ методом ОЭС применяется для определения концентрации присутствующих на поверхности элементов с указанием границ доверительного интервала или стандартного отклонения для измеренной величины содержания компонента.

***

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) есть резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер. ЯМР – один из методов радиоспектроскопии. ЯМР наблюдается в сильном постоянном магнитном поле B ₀, на которое накладывается слабое радиочастотное магнитное поле B┴B ₀.

В основе явления ЯМР лежат магнитные свойства атомных ядер, состоящих из нуклонов с полуцелым спином. Ядра с четными массовым и зарядовым числами (четно-четные ядра) не обладают магнитным моментом, в то время как для всех прочих ядер магнитный момент отличен от нуля.

Спектры ЯМР характеризуются следующими основными параметрами: резонансной частотой ω₀, химическим сдвигом, шириной и формой линии спектра, интенсивностью сигнала ЯМР, временами спин-решеточной и спин-спиновой релаксаций.

Метод ЯМР позволяет следить за изменением фазовых переходов и изменением электронной конфигурации при фазовых переходах.

***

ПРИМЕНЕНИЕ

· Фазовый анализ соединений и сплавов.

· Исследования явлений упорядочения и распада твердых растворов.

· Исследование коррозионных процессов (определение фазового состава оксидных пленок циркониевых сплавов).

***

АВТОИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

Метод автоионной микроскопии (АИМ) основан на автоионизации атомов формирующего изображение газа вблизи поверхности образца, находящегося в электрическом поле. Вероятность прямой ионизации газа в электрическом поле может быть высокой, если на расстояниях, соизмеримых с размерами атомов (молекул) газа, создать падение потенциала, близкое к потенциалу ионизации этой частицы.

Атом газа, формирующего изображение, ионизуется на некотором расстоянии от поверхности путем туннелирования его валентных электронов в металл. Механизм этой ионизации обусловлен изменением потенциала поверхности и атома газа в присутствии сильного электрического поля.

Важными понятиями в автоионной микроскопии являются: поле наилучшего изображения и напряжение наилучшего изображения, которым соответствует наилучший контраст. При достаточно высоких электрических полях протекают процессы десорбции, которые позволяют реализовать следующие режимы работы ионного проектора:

· ионизация и устранение загрязнений, адсорбированных окислов с поверхности острия;

· сглаживание выступов и неровностей, что создает образец с регулярной гладкой формой;

· контролируемое удаление атомных слоев, что позволяет исследовать пространственное строение атомной структуры материала образца.

ПРИМЕНЕНИЕ

АИМ применяется для изучения атомной структуры чистых металлов и различных сплавов и ее связи с их механическими свойствами. Наиболее полно возможности метода проявляются при исследовании точечных дефектов.

В основе интерпретации изображения на люминесцентном экране, положено следующее предположение. Поскольку в области «выступов» на поверхности острия напряженность электрического поля достигает величин 108 В/см и более, то этого достаточно для эффективной ионизации атомов рабочего газа и образования под действием ускоренных ионизированных атомов свечения люминофора. В случае образования «ямок» на поверхности острия картина

формирования изображения противоположная, т.е. ионизации атомов рабочего газа не происходит, и на экране образуются темные области. Типовое увеличение в АИМ достигает величин М = 10⁵ –10⁶, поэтому получаемое изображение позволяет изучать на атомном уровне практически все существующие дефекты кристаллической структуры (например, единичные точечные дефекты – вакансии, собственные и примесные атомы в решетке).

Наиболее широко АИМ применяется для исследования тугоплавких металлов и их сплавов, так как при высоких напряженностях электрического поля, необходимых для автоионизации, возникают большие механические напряжения, разрушающие образцы. В качестве газа, формирующего изображение, используются: гелий для металлов с температурой плавления выше Т_пл = 2273 К, неон для металлов с Т_пл = 1273 – 2273 К, аргон – для металлов с Т_пл = 873 – 1273 К.

***

ТУННЕЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ МИКРОСКОПИЯ

Туннельная сканирующая микроскопия – новый метод получения изображения строения поверхности твердого тела с атомным разрешением, основанный на принципе туннелирования электронов.

Туннелирование электронов возможно при напряженностях электрического поля вблизи поверхности на уровне 107–108 В/см, которая достигается в области локальных неоднородностей, имеющих характерный радиус скругления около единиц Å. Как показывают эксперименты, ток туннелирования электронов обусловлен на 80 % за счет геометрических факторов и на 20 % за счет краевых эффектов вблизи неоднородности поверхности.

Если задать режим, при котором индентор перемещается вдоль поверхности и ток туннелирования поддерживается постоянным, то возможно по изменению положения индентора (по изменению расстояния s) получить информацию о топографии поверхности. Если при перемещении индентора – кантивелера – регистрировать изменение тока туннелированных электронов, то можно получить информацию о распределении потенциала вдоль линии перемещения индентора. При этом важно, чтобы работа выхода была величиной постоянной вдоль линии перемещения индентора, а точность перемещений индентора вдоль поверхности лучше 1 нм. При этом его перемещение в вертикальном положении осуществлялось с точностью не хуже 0,01 нм. В случае получения двухмерной картины перемещение индентора должно проходить в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Современные приборы, основанные на эффекте туннелирования, делятся на просто сканирующие туннельные микроскопы – СТМ (как правило, в них реализуется схема измерения тока туннелирования) и сканирующие туннельные микроскопы атомных сил – СТМ АС (атомносиловая сканирующая микроскопия – АСМ или сканирующая силовая микроскопия – ССМ).

Сканирующая туннельная микроскопия (спектроскопия) широко применяется для исследования топографии поверхности, изучения неоднородных магнитных потоков в высокотемпературной сверхпроводящей керамике, фазовых переходов на поверхности кристаллов и в активных пленочных структурах.

В числе технологических возможностей СТМ следует отметить использование в области органических соединений, которые находят все более широкое применение при создании новых функциональных устройств, например, носителей информации.

Атомный силовой микроскоп может использоваться также для изучения микрорельефа поверхности любых веществ как проводящих, так и непроводящих, с его помощью можно наблюдать всевозможные несовершенства структуры, локализованные на изучаемых поверхностях (например, дислокации или заряженные дефекты). Кроме того, СТМ АС позволяет выявить границы различных блоков в кристалле, в частности доменов.

***