Лекция посвящена сканирующей туннельной микроскопии, включая эффекты туннелирования через потенциальный барьер и принципы работы микроскопа. Обсуждаются характеристики и способы изготовления зондов, а также применение сканирующей туннельной спектроскопии для исследования локальной электронной структуры. В лекции также освещается реализация метода в приборе 'nanoeducator' и проводятся вопросы для самостоятельной работы.

1. Лекция №3
Сканирующая туннельная
микроскопия
План:
1. Эффект туннелирования через потенциальный барьер.
2. Принцип работы туннельного микроскопа.
3. Зонды для сканирующей туннельной микроскопии: требования,
характеристики, способы изготовления.
4. Сканирующая туннельная спектроскопия.
5. Реализация сканирующей туннельной микроскопии в СЗМ
«Nanoeducator».

2. Эффект туннелирования через потенциальный барьер
( )sp ϕϕϕ +=
2
1
В сканирующей туннельной микроскопии зонд подводится к поверхности образца на
расстояния в несколько ангстрем. При этом образуется туннельно-прозрачный
потенциальный барьер, величина которого определяется, в основном, значениями
работы выхода электронов из материала зонда ϕp и образца ϕs.
Вероятность туннелирования через потенциальный барьер определяется его шириной
и высотой барьера:
Zkt
e
A
A
W ∆
≈= 2
0
2

ϕem
k
22
=
Типичное значение k=2 Å-1
. Т.е. при
увеличении расстояния между зондом и
образцом на 1 Å, туннельный ток
уменьшается в e2
≈9 раз.

3. Эффект туннелирования через потенциальный барьер
В процессе туннелирования
участвуют, в основном, электроны с
энергией в окрестности уровня
Ферми EF . В случае контакта двух
металлов выражение для плотности
туннельного тока имеет вид:








∆= Z
m
jj e

ϕ22
exp0
В СТМ используется туннелирование электронов
между проводящими зондом и образцом при
наличии внешнего напряжения; шириной
туннельного перехода является расстояние между
зондом и поверхностью образца. Когда кончик
зонда оказывается на расстоянии около 10 Å от
образца, электроны из образца начинают
туннелировать через промежуток в иглу или
наоборот, в зависимости от знака напряжения.

4. Принцип работы туннельного сканирующего микроскопа
Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния позволяет осуществлять
регулирование расстояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с
высокой точностью. СТМ представляет собой электромеханическую систему с
отрицательной обратной связью. Система обратной связи поддерживает величину
туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне, выбираемом
оператором. Контроль величины туннельного тока, а следовательно, и расстояния зонд-
поверхность осуществляется посредством перемещения зонда вдоль оси Z с помощью
пьезоэлектрического элемента
Реконструкция поверхности
кремния при помощи СТМ

5. Принцип работы туннельного сканирующего микроскопа
Различают два режима работы сканирующего туннельного микроскопа:
режим постоянной высоты Z=const (б) и режим постоянного тока
It=const (а).

6. Зонды для сканирующей туннельной микроскопии:
требования, характеристики, способы изготовления.
Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной
зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в
направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. При правильной
подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный
выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на
размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Поскольку
зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае
течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике
зонда.

7. Фотографии зондов для СТМ
(слева – зонд, полученный
электрохимическим
травлением, справа –
механическим перерезанием
проволочки)
В сканирующих туннельных микроскопах используются зонды нескольких типов. В
первое время широкое распространение получили зонды, приготовленные из
вольфрамовой проволоки методом электрохимического травления.
Зонды для сканирующей туннельной микроскопии:
требования, характеристики, способы изготовления.
Другая широко применяемая методика приготовления СТМ зондов – перерезание
тонкой проволоки из PtIr сплава с помощью обыкновенных ножниц. Перерезание
производится под углом порядка 30-45 градусов с одновременным натяжением P
проволоки на разрыв

8. Зонды для сканирующей туннельной микроскопии:
требования, характеристики, способы изготовления.
Изготовление зонда перерезанием проволоки
Изготовление зонда электрохимическим
травлением

9. Сканирующая туннельная спектроскопия.
Сканирующий туннельный микроскоп позволяет получать вольт-амперные
характеристики (ВАХ) туннельного контакта зонд-поверхность в любой точке
поверхности и исследовать локальные электрические свойства образца. Для
характерных напряжений на туннельном контакте порядка 0.1 – 1 В и туннельных
токов на уровне 0.1 – 1 нА сопротивление туннельного контакта Rt по порядку
величин составляет 108
÷1010
Ом. Как правило, сопротивление исследуемых в СТМ
образцов RS существенно меньше Rt, и характер ВАХ определяется, в основном,
свойствами небольшой области образца вблизи туннельного контакта. Сканирующая
туннельная спектроскопия применяется для исследований локальной электронной
структуры поверхности образцов. Электронная структура атома зависит не только от
его атомного номера, но и от локального химического окружения (количество
соседних атомов, их вид и расположение).

10. Характер туннельной ВАХ существенно зависит от энергетического
спектра электронов в образце.
Сканирующая туннельная спектроскопия.
Структура энергетических уровней
и вольт-амперная характеристика
туннельного контакта металл-
металл
Структура энергетических уровней
и вольт-амперная характеристика
туннельного контакта металл-
полупроводник
∫=
eV
S dEEBVI
0
)()( ρ
)(ESρ - плотность электронных
состояний в образце
Исследования локальных
туннельных спектров различных
материалов проводят, как
правило, в условиях высокого
вакуума (поскольку туннельный
ток очень чувствителен к
состоянию поверхности
исследуемых образцов) и при
низких температурах (так как
тепловые возбуждения сильно
размывают особенности в
электронных спектрах).
V
VI
ES
∂
∂
≈
)(
)(ρ

11. Реализация сканирующей туннельной микроскопии в
СЗМ «Nanoeducator».
В приборе Nanoeducator применяется универсальный
датчик туннельного тока и силового взаимодействия.
Свободный конец проволоки, использующейся в
качестве зонда, заточен электрохимически. На
внутреннюю поверхность трубки нанесен проводящий
электрод, соединенный с заземленным корпусом
прибора. Зонд имеет электрический контакт с
внутренним электродом трубки. При измерении
туннельного тока пьезотрубка играет роль жесткой
пассивной балки. Электрическое смещение
прикладывается к образцу относительно заземленного
зонда. Преобразователь вырабатывает электрическое
напряжение Uт, обуславливающее протекание
туннельного тока I и выдает напряжение U
пропорциональное этому току в электронный блок.

12. Вопросы для самостоятельной работы:
1. Что такое туннельный эффект? От каких параметров зависит туннельный ток?
2. Каким образом производится регистрация туннельного тока в сканирующем
туннельном микроскопе?
3. Какие требования предъявляются к зондам для сканирующей туннельной
микроскопии? Какие существуют способы их изготовления?
4. Почему считают, что 90% туннельного тока протекает через крайний атом
зонда?
5. Что такое режим постоянного тока и постоянной высоты? Что такое V- и Z-
модуляции, для чего их применяют?
6. Как устроена система регистрации туннельного тока в СЗМ Nanoeducator?
7. Что такое «квантовый загон или квантовый коралл»? Какое отношение он имеет
к сканирующей туннельной микроскопии?
8. Как применяют сканирующую туннельную спектроскопию для исследования
электронной структуры поверхностей полупроводников?