Ім'я файлу: Тунельний мікроскоп.docx
Розширення: docx
Розмір: 4135кб.
Дата: 20.11.2022
скачати
Пов'язані файли:
Питання та завдання для заліку.docx


Курсова робота з теоретичної фiзики на тему:

Скануючий тунельний мiкроскоп

Змiст

Вступ 2

1. Скануючий тунельний мiкроскоп 5

1.1Теоретичнi основи СТМ 5

1.2Iсторiя створення СТМ 9

1.3Приклади використання СТМ 13

1.3.1Атомна реконструкцiя поверхонь 16

1.3.2Дослiдження адсорбцiї 18

2. Про СТМ у шкiльному курсi фiзики 21

2.1 Методичне забезпеченя заняття 21

2.2 Слайди для презентацiї СТМ на заняттi фiзичного гуртка 22

Висновок 27

Лiтература 28



Вступ


Фiзика поверхневих явищ в даний час є одним з роздiлiв науки, якi найбiльш iнтенсивно розвиваються. Саме на фундаментальних дослiдженнях в галузi фiзики поверхнi твердого тiла заснованi успiхи сучасних мiкро- та наноелектронiки, гетерогенного каталiзу, космiчних технологiй i т.п. Тому дослiдження рiзноманiтних електронних, атомних i молекулярних процесiв, що вiдбуваються на поверхнi твердих тiл, залишається актуальним завданням. I заповiтне бажання вчених (i не тiльки вчених) протягом багатьох рокiв — безпосереднє спостереження за поводженням окремих атомiв на поверхнi твердого тiла i вивчення процесiв з участю одиночних чи невеликих груп атомiв.

Першорядне значення для розумiння властивостей будь-якого об’єкта має знання його атомної структури, тому визначення поверхневих структур — один з найбiльш важливих роздiлiв фiзики поверхнi. Останнi 30 рокiв мiкроструктура поверхонь твердих тiл iнтенсивно вивчалася методами дифракцiї та розсiювання електронних та iонних пучкiв, а також електронної спектроскопiї. Однак бiльшiсть цих методiв спочатку розроблялися для дослiдження об’ємної структури твердих тiл, тому вони не завжди годяться для отримання iнформацiї про структуру поверхнi, тим бiльше на атомному рiвнi. Довгий час основним методом дослiдження структури поверхонь служив метод дифракцiї повiльних електронiв (ДПЕ), iз застосуванням якого пов’язаний суттєвий прогрес у розвитку науки про поверхнi. Досить згадати, що за допомогою ДПЕ було вiдкрито атомну реконструкцiю поверхонь — iснування особливого їх структурного стану, вiдмiнного вiд об’ємного, i виявлено велику кiлькiсть специфiчних фазових переходiв на поверхнях, як чистих, так i покритих адсорбованими плiвками. У методi ДПЕ тонкий колiмований моноенергетичний пучок електронiв низької (до десяткiв електронвольт) енергiї спрямовується на поверхню дослiджуваного кристала. Так як енергiя падаючих електронiв порiвняно невелика, то вони проникають на глибину всього одного-двох атомних шарiв, тому аналiз кутового розподiлу дифракцiйних рефлексiв, утворених розсiяним пучком, дає вiдомостi про розташування атомiв в поверхневому шарi. Така iнформацiя, проте, методично пов’язана зi структурою оберненої1 (а не прямої!) ґратки i виявляється усередненою по вiдносно великiй площi поверхнi кристала.

Слiд зазначити, що в даний час iснують прилади, що дозволяють вiдображати окремi атоми: польовий iонний мiкроскоп i просвiчуючий електронний мiкроскоп високого роздiлення, однак обидвi вони мають суттєвi обмеження по застосуванню, якi пов’язанi зi специфiчними вимогами до форми зразкiв. У першому випадку зразки повиннi мати форму гострих голок з провiдного матерiалу з радiусом закруглення не бiльше 1000˚A, а в другому — тонких смужок товщиною менше 1000˚A. Першi зображення атомiв були отриманi за допомогою польового iонного мiкроскопа, винайденого Е. Мюллером в 1951 роцi. У цьому приладi голчастий зразок, який, зазвичай, виготовляється з тугоплавкого металу типу вольфраму, розташовується у вакуумнiй камерi навпроти флуоресцiюючого екрану. Камера заповнюється iнертним газом (гелiєм або аргоном) до тиску 10−4–10−5 торр, i пiсля прикладення до вiстря високої позитивної напруги поблизу найбiльш виступаючих дiлянок поверхнi вiдбувається польова iонiзацiя атомiв газу за рахунок тунелювання їх електронiв в зразок. Створенi iони прискорюються цим же полем i бомбардують флуоресцiюючий екран, який вiдображає з великим збiльшенням виступаючi дiлянки.

Тому винахiд у 1982 роцi Г. Бiннiгом i Х. Рорером2 скануючого тунельного мiкроскопа (СТМ), який не накладає обмежень на розмiри зразкiв, реально вiдкрив дверi в новий мiкроскопiчний свiт.

Метою даної роботи є стислий виклад принципiв роботи та основних застосувань скануючого тунельного мiкроскопа.

Для досягнення поставленої мети необхiдно було вирiшити такi завдання:

  • розглянути теоретичнi основи роботи, iсторiю створення та основнi застосування СТМ;

  • дослiдити можливисть ознайомленя учнiв з питаннями, пов’язаними з СТМ.

Об’єктом курсової роботи є скануючий тунельний мiкроскоп, а її предметом — принципи роботи та та основнi методи використання СТМ.

вельми зручнє при описi дифракцiї на кристалах рентгенiвських променiв i електронiв, так як дозволяє встановити взаємно однозначну вiдповiднiсть мiж дифракцiйними рефлексами i вузлами оберненої ґратки.

2За винахiд нового класу електронних мiкроскопiв — скануючого тунельного мiкроскопа Г. Бiннiгу i Х. Рореру було присуджено Нобелiвську премiю з фiзики 1986 року (разом з Е. Руськой).

1. Скануючий тунельний мiкроскоп

    1. Теоретичнi основи СТМ


Принцип роботи СТМ базується на явищi тунелювання електронiв крiзь вузький потенцiальний бар’єр в виглядi непровiдного вакуумного зазору мiж металевим зондом i електропровiдним зразком в зовнiшньому електричному полi (див. рис 1).



Рис. 1. Схема тунелювання електронiв крiзь потенцiальний бар’єр у тунельному мiкроскопi.

При пiдведеннi зонда до поверхнi зразка на вiдстань в декiлька ангстрем утворюється тунельно-прозорий потенцiальний бар’єр, величина якого визначається, в основному, значеннями роботи виходу електронiв з матерiалу зонда ϕp i зразка ϕs. При якiсному розглядi бар’єр можна вважати прямокутним з ефективною висотою, рiвною середнiй роботi виходу матерiалiв:

ϕ∗ = 0,5(ϕp + ϕs). (1)

Як вiдомо з квантової механiки [1,2], ймовiрнiсть тунелювання електрона (коефiцiєнт прозоростi) через одновимiрний бар’єр прямокутної форми дорiвнює

,

де A0 — амплiтуда хвильової функцiї електрона, що рухається до бар’єра; A1— амплiтуда хвильової функцiї електрона, що пройшов крiзь бар’єр; k— постiйна згасання хвильової функцiї в областi, що вiдповiдає потенцiальному бар’єру; ∆Z— ширина бар’єра. Для тунельного контакту двох металiв, роздiлених потенцiальним бар’єром шириною ∆Z, постiйна згасання має вигляд:

, (2)

де m— маса електрона, ϕ?— середня робота виходу електрона, h— стала Планка.

Аналiтичний вираз для ймовiрностi W(Ez), з якою електрон може проникати крiзь тонкий потенцiальний бар’єр висотою V = η + ϕ? (рис. 2), де η— положення рiвня Фермi, може бути отриманий методом ВКБ (Вентцеля– Крамерса–Брiллюена) i має вигляд:

, (3)

Пiсля iнтегрування (3) отримаєм [3]:



W(Ez) ∼ exp − Apη + ϕ? − Ez o, n
(4)

√

де A = (4π∆Z/h) 2m.



Рис. 2. Прямокутний потенцiальний бар’єр в iзолюючому промiжку мiж металевими електродами: а) V= 0 eV, б) V < ϕ?.

Знаючи ймовiрнiсть тунелювання електрона крiзь даний потенцiальний бар’єр можна визначити кiлькiсть N1 електронiв, якi тунелювали крiзь бар’єр вiд електрода 1 до електрода 2:

, (5)

де Ez= mvz2/2 — компонента енергiї електрона в напрямку осi z, Em— максимальна енергiя електронiв в електродi, n(vz)dvz— число електронiв, швидкостi яких лежать в межах вiд vzдо vz+dvz. Для iзотропного спектру швидкостей число електронiв в одиницi об’єму зi швидкiстю, що коливається мiж нескiнченно малими межами, визначається за вiдомою формулою:

,

де f(E) — функцiя розподiлу Фермi–Дiрака, отже

. (6)

У виразi (6) iнтеграл виражено в полярних координатах, тобто:

.

Пiдставляючи вираз (6) в (5), отримаємо:

. (7)

В умовах динамiчної рiвноваги числа електронiв, якi тунелювали крiзь бар’єр вiд електрода 1 до електроду 2 (N1) i назад (N2) рiвнi одне одному (N1 = N2) (див. рис. 2 а). При прикладаннi до туннельного контакту рiзницi потенцiалiв Vмiж зондом i зразком з’являється тунельний струм J, що визначається рiзницею числа електронiв, якi тунелювали крiзь бар’єр вiд електрода 1 до електрода 2 (N1) i вiд електрода 2 до електрода 1 (N2). Якщо електрод 2 має позитивний потенцiал Vпо вiдношенню до електрода 1, то вираз для струму може бути записано в виглядi:

(8)

де f(E+ eV) — функцiя розподiлу Фермi–Дiрака для електрода 2.

У процесi тунелювання беруть участь, в основному, електрони з енергiєю в околi рiвня Фермi EF. У разi контакту двох металiв вираз для тунельного струму (в одновимiрному наближеннi) було отримано в роботах [3,4] пiдстановкою (4) в (8) i iнтегруванням:

J = J0 nϕ? exp(−A√ϕ?) − (ϕ? + eV )exp(−Apϕ? + eV )o , (9)

де параметр J0 задається виразом:

J0 = e/2πh(∆Z)2 .

З формули (9), зокрема видно, що при V= 0 (це буде стан динамiчної

? exp(−√ϕ?) тече в будь-якому напрямку. рiвноваги) струм величиною J0 ϕ

За умови малостi напруги змiщення на другому електродi (eV < ϕ?), вираз для струму можна представити в бiльш простому виглядi. Лiнеарiзуючи другу експоненту в виразi (9) по параметру eV , отримуємо

. (10)

Нарештi, нехтуючи членом eVв порiвняннi з ϕ? вираз для струму можна записати наступним чином:

. (11)

Оскiльки експоненцiальна залежнiсть дуже сильна, то для оцiнок i якiсних мiркувань часто користуються спрощеною формулою (11), в якiй k має вигляд виразу (2):

J = J1(V )exp(−k∆Z). (12)

У виразi (12) величина J1(V ) вважається незалежною вiд змiни вiдстанi зонд– зразок. Для типових значень роботи виходу (ϕ∼ 4 еВ) значення константи загасання k= 2 ˚A−1, так що при змiнi ∆Zна величину ∼1 ˚A величина струму змiнюється на порядок. Реальний тунельний контакт в СТМ не є одновимiрним i має бiльш складну геометрiю, однак експоненцiальна залежнiсть струму вiд вiдстанi зонд–зразок, зберiгаються також i в бiльш складних моделях, що пiдтверджується експериментально.

    1. Iсторiя створення СТМ


Принцип дiї скануючого тунельного мiкроскопа досить простий, але кардинально вiдрiзняється вiд усiх попереднiх методик, що застосовувалися в фiзицi поверхнi. Тонке металеве вiстря, змонтоване на електромеханiчному приводi (X, Y, Z-позицiонерi), служить зондом для дослiдження дiлянок поверхнi зразка (рис. 3). Коли таке вiстря пiдводиться до поверхнi на вiдстань ≤ 10˚A, то при прикладаннi мiж вiстрям i зразком невеликої (вiд 0,01 до 10В) напруги змiщення Vs через вакуумний промiжок δz починає протiкати тунельний струм It порядку 10−9 А. Вважаючи, що електроннi стани (орбiталi) локалiзованi на кожному атомi, при скануваннi поверхнi зразка в напрямку X i/або Y з одночасним вимiрюванням вихiдного сигналу в колi Z можна отримати картину поверхневої структури на атомному рiвнi. Ця структура може бути вiдображена в двох режимах: вимiрюючи тунельний струм i пiдтримуючи вiдстань ∆z вiд вiстря до поверхнi зразка або вимiрюючи змiни в положеннi вiстря (тобто вiдстань до поверхнi зразка) при сталому тунельному струмi (другий режим використовується частiше).



Рис. 3. Принцип дiї СТМ: px, py, pz — п’єзоелементи; δz — тунельний вакуумний промiжок мiж вiстрям-зондом i зразком; It — тунельний струм.

Взагалi СТМ можна розглядати як поєднання трьох концепцiй: сканування, тунелювання i локального зондування. Само сканування як засiб вiдображення об’єкта широко застосовується i в iнших типах мiкроскопiв, наприклад у растровому електронному мiкроскопi, а також у телевiзiйнiй технiцi, а електронне тунелювання2 з успiхом використовувалося для вивчення фiзичних властивостей твердого тiла задовго до появи СТМ (як i контактна спектроскопiя). Все це робить СТМ унiкальним мiкроскопом, який не мiстить лiнз (а значить, зображення не спотворюється через аберацiї), енергiя електронiв, що формують зображення, не перевищує декiлькох електронвольт (тобто менше енергiї типового хiмiчного зв’язку), що забезпечує можливiсть неруйнiвного контролю об’єкта, тодi як в електроннiй мiкроскопiї високого роздiлення вона досягає декiлькох кiлоелектронвольт i навiть мегаелектронвольт, викликаючи утворення радiацiйних дефектiв.

Iсторiя створення цiєї методики бере свiй початок з кiнця 60-х рокiв XX столiття, коли Р. Янг (Нацiональне бюро стандартiв, США) спробував використовувати електронне тунелювання для дослiдження геометричної структури поверхнi. З цiєю метою вiн розробив прилад, названий їм топографiметром, який дуже нагадує сучасний СТМ за одним принциповим виключенням: сканування здiйснювалося на вiдстанi ∼100˚A вiд поверхнi i в режимi польової електронної емiсiї (а не вакуумного тунелювання!). У результатi вдалося спостерiгати, наприклад, поверхню дифракцiйної ґратки (∼180лiнiй/мм), але з роздiленням лише кiлька сот ангстрем.

У листопадi 1978 року майбутнi Нобелiвськi лауреати Бiннiг i Рорер повернулися до iдеї використання вакуумного тунелювання для локальної спектроскопiї тонких оксидних шарiв на металах. Для перемiщення вiстря на малi вiдстанi i пiдтримки ширини вакуумного зазору з субангстремною точнiстю були використанi п’єзоелектричнi матерiали i система зворотного зв’язку (рис. 4).

Незважаючи на свою простоту, конструювання та виготовлення СТМ досi залишається важким завданням. Навiть у нашi днi iснує небагато лабораторiй, що мають СТМ, якi працюють з iстинно атомним роздiленням. Всi СТМ можна роздiлити на двi основнi групи: тi, що працюють на повiтрi (або в iншому середовищi), i тi, що працюють в умовах надвисокого вакууму. Видiляють також низькотемпературнi СТМ, що працюють в умовах крiогенних температур. Надалi будемо говорити тiльки про надвисоковакуумнi СТМ, що працюють при кiмнатнiй температурi. Перелiчимо основнi проблеми, що стоять перед розробниками:

  • iзоляцiя вiд акустичних та механiчних вiбрацiй;

  • створення швидкодiючої малошумної електронiки, що працює в широкому динамiчному дiапазонi;

  • забезпечення надiйних надвисоковакуумних умов, що допускають рiзнi манiпуляцiї з зразком;

  • виготовлення тонких атомногладких вiстря-зондiв та їх дiагностика.



Рис. 4. Схема, що iлюструє роботу СТМ. Тунельний струм, що виникає при прикладаннi напруги Vs, пiдтримується постiйним за рахунок кола зворотного зв’язку, яке керує положенням вiстря за допомогою п’єзоелемента pz. Запис осцилограми напруги Vz в колi зворотного зв’язку при одночасному впливi пилкоподiбної напруги розгортки уздовж осей xi yутворює тунельне зображення, що є свого роду реплiкою поверхнi зразка.

Для вирiшення проблеми вiброiзоляцiї, яка спочатку здавалася нездоланною, Бiннiг i Рорер у своїй першiй конструкцiї використовували навiть надпровiдний магнiтний пiдвiс для розмiщення зразка i скануючого вузла. Надалi цю проблему вдалося вирiшити використовуючи спецiальну пiдвiску у вакуумi всього мiкроскопа на довгих пружинах i розмiстивши скануючий вузол на масивному виброiзолюючому столику. Для пiдведення вiстря-зонда до зразка на вiдстань δz, рiвну декiльком ангстремам, i сканування вздовж поверхнi використовувався п’єзодвигун на основi п’єзоелектрикiв — це такi матерiали, якi змiнюють свої розмiри пiд дiєю керуючої напруги (рис. 3).

Схему, що демонструє пристрiй СТМ i його роботу, приведено на рис. 4. На п’єзоелемент pz подається напруга з виходу пiдсилювача зворотного зв’язку, яка визначає величину зазору мiж зразком та вiстрям i тим самим величину тунельного струму. Сам тунельний струм повинен бути весь час пропорцiйний заданому струму, що пiдтримується завдяки керованому комп’ютером колу зворотного зв’язку. На п’єзоелементи px та py пiд керуванням того ж комп’ютера подається пилкоподiбна напруга, яка формує рядкову i кадрову розгортку (растр) подiбно тому, як це здiйснюється в телебаченнi. Осцилограми напруги Vz запам’ятовуються комп’ютером, пiсля чого перетворюються в залежнiсть z(x,y), яка вiдображає траєкторiю руху вiстря i, таким чином, є тунельним зображенням поверхнi зразка. Як правило, записанi сигнали пiддаються фiльтруванню i додатковiй комп’ютернiй обробцi, яка дозволяє подати тунельнi зображення в режимi так званої сiрої шкали, в якому контраст зображення корелює з рельєфом поверхнi: свiтлi плями вiдповiдають бiльш високо розташованим областям i навпаки. I в процесi роботи навiть з першим варiантом СТМ в березнi 1981 року (всього через 27 мiсяцiв пiсля того, як була сформульована його базова концепцiя!) було експериментально доведено характерну для тунелювання експоненцiальну залежнiсть струму It вiд вiдстанi δz вiстря-зразок. День 16 березня 1981 вважається датою народження скануючої тунельної мiкроскопiї.

    1. Приклади використання СТМ


Основна область застосування СТМ — фiзика поверхнi твердих тiл. Вже першi експерименти з дослiдження поверхнi золота Au(100), щодо якої з даних дифракцiї повiльних електронiв було вiдомо, що вона терпить реконструкцiю 1×2, дозволили спостерiгати рiзнi надструктури та сходинки моноатомной висоти (рис.5), що безперечно свiдчило про роздiльну здатнiсть приладу порядку декiлькох ангстрем (самi дослiдники очiкували отримати геометричне роздiлення по площинi спостереження не бiльше 45˚A). I стало ясно, що в руках учених з’явився унiкальний iнструмент, який дозволяє спостерiгати на поверхнi окремi атоми. Але щоб переконати широкi кола наукової громадськостi в тому, що одержуванi данi є реальними експериментальними результатами, а не даними комп’ютерного моделювання, знадобилося провести дослiдження поверхнi кремнiю.



Рис. 5. СТМ-зображення поверхнi золота Au(110): а) — зображення, отримане в режимi лiнiйної шкали, на якому чiтко видно ряди атомiв i водночас спостерiгається певне розупорядкування: вузькi смуги з реконструкцiєю 1×2 перемiшанi з смугами 1×3 i 1×4, а також з лiнiями сходинок. Зауважимо, що iсторично це саме перше СТМ-зображення з атомним роздiленням, було отримане Бiннiгом i Рорером в березнi 1982 року, проте воно порiвняно довгий час залишалося неопублiкованим (Surf. Sci. 1983. Vol. 131. P. L379) почасти через бiльш вражаючi СТМ-зображеня поверхнi Si(111)–7×7 (див. рис. 6), отриманi восени того ж року; б) — структурна модель поверхнi Au(110); в) — згодом атомна структура поверхнi Au(110) порiвняно легко спостерiгалася в

режимi сiрої“ шкали.

”



Рис. 6. СТМ-зображення реконструйованої поверхнi кремнiю Si(111)–7×7:

а) — рельєф поверхнi, отриманої iз записiв осцилограм напруги Vz; напруга змiщення Vs = +2,9В [5,6]; б) — СТМ-зображення такої ж поверхнi, але отримане в режимi “сiрої” шкали пiсля фiльтрування сигналу i його математичної обробки; Vs = 1,96В, тунельний струм It = 4·10−10 А. Чорним ромбиком видiлено елементарну комiрку, всерединi якої знаходиться 12 адатомiв, довжини дiагоналей становлять d1 = 46,6˚A d2 = 26,9˚A, глибина кутових ямок ∼2˚A; в) — DAS-модель Такаянаги реконструкцiї 7×7 (А — вигляд зверху, В — вид збоку); ромбиком видiлено комiрку, що мiстить 12 адатомiв (великi кружечки) i 9 димерiв.

      1. Атомна реконструкцiя поверхонь


Самi елементарнi мiркування дозволяють стверджувати, що розташування атомiв в поверхневому шарi, взагалi кажучи, не таке, як усерединi кристалу. В об’ємi iдеального кристалу всi валентнi зв’язки насичено, але в процесi утворення поверхнi, наприклад при розколюваннi кристалу, зв’язки мiж атомами розриваються, а електроннi пари, якi утворювали їх, розпадаються на незалежнi електрони, готовi утворити новi зв’язки — їх називають обiрваними зв’язками. Така ситуацiя енергетично дуже невигiдна, тому, прагнучи до рiвноваги, поверхневi електрони будуть утворювати додатковi зв’язки мiж атомами на самiй поверхнi з тим, щоб число обiрваних зв’язкiв iстотно скоротилося. Зокрема, сусiднi атоми, утворюючи додатковi зв’язки мiж собою, об’єднуються в пари — димери, внаслiдок чого атоми кожного димера зближуються один з одним, вiддаляючись вiд сусiднiх атомiв. У результатi на поверхнi змiнюється порядок кристалiчної ґратки i вiдбувається реконструкцiя (тобто утворюється нова надструктура).

Крiм реконструкцiї вiдбувається ще один процес перебудови — релаксацiя поверхнi. В iдеальному кристалi сили, що дiють знизу на атоми, розташованi в об’ємнiй площинi, врiвноважуються силами, що дiють зверху. Але якщо ця площина виявляється на поверхнi, то через вiдсутнiсть сил зверху перший шар атомiв змiститься ближче до другого, другий — до третього i т.д.

На жаль, передбачити, яка конфiгурацiя утворюється насправдi (або розрахувати її по мiнiмуму енергiї), практично неможливо через нескiнченну кiлькiсть можливих моделей. Крiм того, поява тiєї чи iншої реконструкцiї, якi часто мало розрiзняються за енергiєю, в першу чергу визначається технологiєю обробки зразка.

Однiєю з найбiльш iнтригуючих проблем у фiзицi поверхнi понад 30 рокiв була структура поверхнi Si(111)–7×7. Ранiше за допомогою методу дифракцiї повiльних електронiв було встановлено, що ця реконструкцiя характеризується перiодом, який перевищує перiод об’ємної решiтки в 7 разiв, та елементарна комiрка якої мiстить 49 атомiв, однак детальне розташування цих атомiв у комiрцi залишалося невизначеним, а численнi (понад два десятки) моделi цiєї структури часто суперечили одна однiй. На рис. 6, а приведено знамените тунельне зображення з атомним роздiленням реконструкцiї 7×7 поверхнi Si(111) в прямому (а не оберненому) просторi, характерними особливостями ромбiчної елементарної комiрки якої є кутова ямка i 12 виступiв — так званих адатомiв. На рис. 6, б приведено СТМ-зображення подiбної поверхнi, але в бiльш традицiйному для теперiшнього часу виглядi. Згодом поверхня Si(111)–7×7 стала використовуватися в якостi свого роду еталону для перевiрки працездатностi СТМ.

Отриманий результат (рис. 6, а) дозволив повнiстю виключити з розгляду всi численнi моделi поверхнi Si(111)–7×7. Дещо пiзнiше групi японських фiзикiв пiд керiвництвом К. Такаянаги на основi результатiв експериментiв з просвiчуючої електронної мiкроскопiї та електронографiї вдалося побудувати свою, так звану DAS-модель реконструкцiї 7×7 (рис. 6, в), яка допускає реконструкцiю i бiльш глибоких шарiв в приповерхневiй областi. DAS-модель добре узгоджується з результатами бiльшостi експериментiв, виконаних з використанням розсiювання iонiв середнiх енергiй, дифракцiї рентгенiвських променiв, iонного каналювання, СТМ, i в даний час вважається загальноприйнятою.

Яскравi результати, отриманi на поверхнi Si(111)–7×7, привернули увагу до СТМ великої кiлькостi послiдовникiв, багатьом з яких вдалося побудувати свої варiанти приладу i в пiдсумку також отримати атомне роздiлення (1985 рiк). З того часу атомна роздiльна здатнiсть стала офiцiйно встановленою, а СТМ — загальновизнаною методикою. I знадобився мiнiмальний час, щоб про це дiзналося широке коло вчених i визрiла суспiльна думка про значущiсть робiт Бiннiга i Рорера.

      1. Дослiдження адсорбцiї


Якщо спостерiгати СТМ-зображення при рiзних напругах змiщення Vs або, вiдключивши на короткий час коло зворотного зв’язку, зняти залежнiсть тунельного струму It вiд Vs при постiйному значеннi зазору δz мiж вiстрям i зразком, можна отримати картину розподiлу обiрваних зв’язкiв, а також iнших електронних станiв, що вiдповiдають рiзним енергiям, оскiльки в процесi тунелювання в цьому випадку будуть брати участь електрони з рiзними енергiями (iз зони провiдностi, валентної зони або локалiзованих станiв). Подальший розвиток цього пiдходу призвiв до появи скануючої тунельної спектроскопiї, де вимiрюється залежнiсть dIt /dVs = f(Vs), безпосередньо пов’язана з локальною щiльнiстю станiв в околi рiвня Фермi.

Рiвнем Фермi називається найвищий зайнятий електронами рiвень при T= 0, вiдповiдно енергiєю Фермi εF — енергiя цього рiвня. В iмпульсному просторi рiвень Фермi є iзоенергетичною поверхнею (тобто поверхнею постiйної енергiї, εF = const), що вiдокремлює зайнятi стани вiд вiльних, цю поверхню називають також фермi-поверхнею.

Що стосується самих СТМ-зображень, то виявилося, що зображення, отриманi при рiзних Vs (тобто вiдповiднi рiзним енергетичним станам), виглядають по-рiзному (рис. 7, а i б). Так, виступи, якi спостерiгаються на зображеннi заповнених станiв (рис. 7 а), обумовленi тунелюванням в зону провiдностi кремнiю через обiрванi зв’язки адатомiв, в той час як впадини, видимi на зображеннi незаповнених станiв, визначаються тунелюванням електронiв з валентної зони або локалiзованих станiв кремнiю в вiстрi через обiрванi зв’язки rest-атомiв (так називають атоми першого поверхневого шару) i атомiв, розташованих в кутових ямках.



Рис. 7. СТМ-зображення поверхнi Si(111)–7×7 при рiзних напругах змiщення: а) — Vs = +2,4В, так зване зображення заповнених станiв, електрони тунелюють з вiстря в зразок; б) — Vs = −2,4В, зображення незаповнених станiв, електрони тунелюють з зразка у вiстря-зонд; в) — Vs = +1,6В, зображення заповнених станiв, отримане в режимi лiнiйної шкали; стрiлками вказанi кутовi дiрки.

Таким чином, СТМ здатен вiдображати локалiзованi стани електронiв, зокрема розподiл щiльностi станiв в прямому просторi i розташування рiвнiв на енергетичнiй шкалi. Але це означає, що СТМ дозволяє спостерiгати не самi атоми, а розподiл в просторi навколо атомiв густини електронiв рiзної енергiї i дає не просто топографiю, а скорiше зображення електронної структури поверхнi в околi рiвня Фермi. Ця обставина, з одного боку, iстотно пiдвищує iнформативнiсть методу, з iншого — ускладнює розшифровку справжнiх поверхневих атомних структур.

Безумовно, поведiнка електронiв, енергiї яких близькi до рiвня Фермi, який вiддiлює зайнятi стани вiд вiльних, найбiльш важлива, так як при будьякому впливi на поверхню (термiчному, освiтленнi, адсорбцiї) рiвнi, найближчi до εF, легше вiддають або приймають електрони, тобто саме вони визначають основнi властивостi поверхнi.

До цього часу мова йшла тiльки про чистi поверхнi. Для поверхонь, вкритих адсорбованими плiвками, залежнiсть СТМ-зображень вiд напруги змiщення може проявлятися ще бiльшою мiрою, так як деякi адсорбати (наприклад, атоми лужних металiв) навiть у дуже невеликих кiлькостях можуть кардинально змiнити електронну структуру поверхнi. Тому iнтерпретацiя СТМ-зображень адсорбованих шарiв повинна проводитися найбiльш ретельно i зазвичай передбачає побудову в кожному конкретному випадку вiдповiдної структурної моделi поверхнi. Але безпосереднi дослiдження адсорбцiї на мiсцi та початкових стадiй росту кристалiв є основною i найбiльш захоплюючою сферою застосування СТМ.



2. Про СТМ у шкiльному курсi фiзики

2.1 Методичне забезпеченя заняття


З метою визначитись з можливiстю ознайомлення учнiв старших класiв з матерiалами, якi стосуються СТМ, були проаналiзованi навчальнi програми рiзних рiвнiв з фiзики для 11-го класу [7], а також ряд сучасних пiдручникiв з фiзики для 11-го класу [8–11]. Виявилось, що нi в програмах, нi в пiдручниках СТМ, а також базовий для цього приладу тунельний ефект, не розглядаються.

Дiйсно, учням, якi навчаються за стандартним рiвнем, за вiдсутностi факультативних занять з фiзики, даний матерiал викладати недоречно. Введення понять потенцiального бар’єру та тунельного ефекту вимагає вiд учнiв досить високого рiвня абстракцiї та досить багато часу (хоча б один урок!). Тим не менш, учнiв 11 класу, рiвень навчання яких є академiчним, або профiльним, можна (i треба) знайомити з поняттям тунельного ефекту, принципом роботи та використанням СТМ.

В програмах з фiзики для 11-го класу (академiчний та профiльний рiвень) розглядається тема Сучаснi уявлення про будову речовини. Сучаснi методи дослiдження будови речовини. Нанокомпозити. (2 год.). Тому в учителя фiзики є пiдстави в межах вiдповiдного узагальнюючого уроку коротко ознайомити учнiв з принцип роботи та основними застосуваннями СТМ.

Втiм краще було б присв’ятити СТМ окреме факультативне заняття пiсля того, як на уроках фiзики будуть розглянутi хвилi де Бройля. При ознайомленнi учнiв з принципами, на яких основується робота СТМ, особливу увагу слiд придiлити формуванню в учнiв якiсного поняття про тунельний ефект як сугубо квантове явище.

Урок Скануючий тунельний мiкроскоп

Тип уроку: урок вивчення нового матерiалу.

Мета уроку: ознайомити учнiв з поняттям тунельного ефекту, принципом дiї та застосуваннями СТМ.

Демонстрацiї: слайди для презентацiї СТМ.

Лiтература: [12–15].

План викладення нового матерiалу.

  1. Поняття тунельного ефекту ( [14]).

  2. Принцип роботи та конструкцiя СТМ (слайди та [13,15]).

  3. Приклади використання СТМ (слайди та [12,13]).


2.2 Слайди для презентацiї СТМ на заняттi фiзичного гуртка


При пiдготовцi слайдiв використано матерiали статтi [16].

Слайд 1. Iонний мiкроскоп



Iонний мiкроскоп Мюллера — попередник скануючого тунельного мiкроскопа — i отримане з його допомогою зображення атомiв на вiстрi голки (праворуч).

Слайд 2. Принцип роботи скануючого тунельного мiкроскопа (СТМ)



Металеве вiстря (емiтер) з малим радiусом Rковзає над дослiджуваною поверхнею. Якщо тунельний струм Jт пiдтримується постiйним, то напруга Vт мiж емiттером i поверхнею змiнюється вiдповiдно до нерiвностей рельєфу (при незмiннiй роботi виходу електрона). Величина напруги несе iнформацiю про висоту рельєфу.

Слайд 3. Утворення мiкровiстрiв на емiтерi



Радiус голки — 100–300 ангстрем, радiус мiкровiстрiв — всього кiлька атомiв. Тунельний струм при невеликих напругах i гранично малих вiдстанях мiж емiтером i поверхнею протiкає через найближче вiстря. Тому мiкровiстря служить iдеальним зондом для вивчення рельєфу поверхнi в атомному масштабi.

Слайд 4. Схема скануючого тунельного мiкроскопа



O — зондуюче вiстря (емiтер), Пx, Пy, Пz — п’єзоелектричнi перетворювачi. Пx i Пy служать для сканування голки по поверхнi (по растру), Пz керує вiдстанню вiд неї до емiтера.

Слайд 5. Один з можливих варiантiв конструкцiї скануючого тунельного мiкроскопа



П’єзоманiпулятор (ПМ) для керування рухом голки-емiтера (И), дослiджуваний зразок (ИО), п’єзодвигун (ПД), що перемiщує зразок до голки, антисейсмiчний пiдвiс (АП).

Слайд 6. Адсорбцiя



Молекули або атоми однiєї речовини осiдають на поверхнi iншої й утримуються на нiй мiжмолекулярними силами. При цьому може утворитися ґратка з адсорбованих атомiв (адатомiв).

Слайд 7. Рельєф дiлянки реконструйованої поверхнi



Рельєф дiлянки реконструйованої повархностi кремнiю(7×7), знятий за допомогою СТМ. Кожен горбик об’єднє групу атомiв кремнiю. Ромбом видiлено перебудовану (1×1 → 7×7) комiрку кремнiю.

Слайд 8. Розмiщення атомiв усерединi комiрки кремнiю



Розмiщення атомiв всерединi реконструйованої (7×7) комiрки кремнiю. Вздовж кожної сторони ромба розташовується по 7 атомiв, тобто перiод елементарної комiрки на поверхнi кремнiю збiльшився в кожному напрямку в 7 разiв.

Слайд 9. Створення тераси



Створення тераси на гранi кристалу кремнiю уздовж одного з напрямкiв реконструйованої ґратки.

Слайд 10. Хвиля зарядової густини



Розподiлення заряду — виникнення хвилi зарядової густини (ХЗГ) на поверхнi шаруватого металу. Така картина вперше спостерiгалася за допомогою скануючого тунельного мiкроскопа. Чорними кружками позначено атоми в елементарнiй комiрцi до появи ХЗГ. Блакитним показано хвилi заряду пiсля виникнення ХЗГ. Видно, що перiод хвилi зарядової густини майже втричi перевищує перiод поверхневої ґратки. Висота хвилi, вимiряна за допомогою СТМ, дає чисельну величину розподiлу заряду.

Висновок


В данiй роботi коротко розглянуто теоретичнi основи, iсторiю створення та приклади використання СТМ для отримання структурних та електронних зображень поверхнi з атомним роздiленням, а також дослiджено можливiсть ознайомлення учнiв старших класiв з цим сучасним приладом.

З моменту свого винаходу СТМ широко використовується вченими самих рiзних спецiальностей, якi охоплюють практично всi природничi дисциплiни починаючи вiд фундаментальних дослiджень в галузi фiзики, хiмiї, бiологiї i до конкретних технологiчних застосувань. Принцип дiї СТМ настiльки простий, а потенцiйнi можливостi такi великi, що неможливо передбачити його вплив на науку i технiку навiть в найближчому майбутньому.

Як виявилося в подальшому, практично будь-якi взаємодiї вiстрьового зонду з поверхнею (механiчнi, магнiтнi ...) можуть бути перетворенi за допомогою вiдповiдних приладiв i комп’ютерних програм в зображення поверхнi. В даний час iснує вже цiле сiмейство так званих скануючих зондових мiкроскопiв: атомно-силовий, магнiтний силовий, ближнього поля ... основнi характеристики яких (в першу чергу роздiльна здатнiсть) впритул наблизилися до характеристик СТМ. Наприклад, атомно-силовий мiкроскоп не вимагає, щоб зразки були провiдними, i дозволяє при цьому дослiдити структурнi i пружнi властивостi провiдникiв та iзоляторiв, а також комбiнацiю зображень електронних i пружних властивостей м’яких матерiалiв.

В шкiльному курсi фiзки (академiчний та профiльний рiвень) можна (i треба) познайомити учнiв 11 класу з поняттям тунельного ефекту, принципом роботи та використанням СТМ. В роботi приводяться необхiднi для цього слайди.

Лiтература


  1. Вакарчук, I. О. Квантова механiка / I. О. Вакарчук. — Львiв: Львiвський нацiональний унiверситет, 2004. — 784 с.

  2. Ландау, Л. Д. Квантовая механика / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. — М.: Физматлит, 2001. — Т. 3: Теоретическая физика. — 768 с.

  3. Simons, J. G. Generalized formula for the electric tunnel effect between similar electrodes separated by a thin insulating film / J. G. Simons // J. Appl. Phys. — 1963. — Vol. 34. — P. 1793(11).

  4. Simons, J. G. Electric tunnel effect between dissimilar electrodes separated by a thin insulating film / J. G. Simons // J. Appl. Phys. — 1963. — Vol. 34. — P. 2581(10).

  5. 7×7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space / G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel // Phys. Rev. Lett. — 1983. — Vol. 50, no. 2. — Pp. 120–123. — Цiєю знаменитою публiкацiєю вiдкрилася епоха СТМ.

  6. Бинниг, Г. Сканирующая туннельная микроскопия — от рождения до юности / Г. Бинниг, Х. Рорер // Атомы “глазами” электронов: (Актуальные проблемы физики). — М.: Знание, 1988. — Новое в жизни, науке, технике. Физика № 3. — С. 3–28. — Переклад Нобелiвської промови Г. Бiннига та Х. Рорера.

  7. Навчальнi програми з фiзики для 10–11 класiв. — http://osvita.ua/ school/materials/program/30993/. — 2012.

  8. Коршак, Е. В. Фiзика: пiдручник для 11 кл. Рiвень стандарту / Е. В. Коршак, А. И. Ляшенко, В. Ф. Савченко. — К.: Генеза, 2011. — 256 с.

  9. Фiзика: пiдручник для 11 кл. Академiчний рiвень. Профiльний рiвень. / В. Г. Бар’яхтар, Ф. Я. Божинова, М. М. Кiрюхiн, О. О. Кiрюхiна. — К.: Ранок, 2011. — 320 с.

  10. Гельфгат, I. М. Фiзика: пiдручник для 11 кл. Академiчний рiвень. / I. М. Гельфгат, Л. А. Кирик. — Гiмназiя, 2011. — 398 с.

  11. Засекiна, Т. Фiзика: пiдручник для 11 кл. Академiчний та профiльний рiвнi. / Т. Засекiна, Д. Засекiн. — Сиция, 2011. — 336 с.

  12. Лифшиц, В. Г. Современные приложения сканирующей туннельной микроскопии для анализа и модификации поверхности / В. Г. Лифшиц // Соросовский образовательный журнал. — 2001. — Т. 7, № 5. — С. 110–

116.

  1. Бахтизин, Р. З. Сканирующая туннельная микроскопия — новый метод изучения поверхности твердых тел / Р. З. Бахтизин // Соросовский образовательный журнал. — 2000. — Т. 6, № 11. — С. 1–7.

  2. Кожушнер, М. А. Туннельные явления / М. А. Кожушнер. — М.: Знание, 1983. — 64 с. — (Новое в жизни, науке, технике. Сер. Физика; №3).

  3. Ревокатова, И. П. Вакуумная тунельная микроскопия — новый метод изучения поверхности твердых тел / И. П. Ревокатова, А. П. Силин // Успехи физических наук. — 1984. — Т. 142, № 1. — С. 159–162.

  4. Панкратов, С. Поверхности твердых тел / С. Панкратов, В. Панов // Наука и жизнь. — 1986. — № 6. — С. 61–65. — Закiнчення. Початок див. Наука и жизнь

1 Обернена ґратка — сукупнiсть вузлiв, радiус-вектори яких r = ia? + jb? + kc?, де i, j, k — всiлякi цiлi числа, a? = [b × c]/V , b? = [c × a]/V , c? = [a ×b]/V ; [b × c], [c × a], [a ×b] — векторнi добутки основних трансляцiй кристалiчної ґраткиa,b,c; V — об’єм елементарнї комiрки. Поняття оберненої ґратки

2 За розробку методу тунельної спектроскопiї Л. Есакi, А. Джайверу i П.Д. Джозефсонy було присуджено Нобелiвську премiю з фiзики 1973 року.


скачати

© Усі права захищені
написати до нас