7.6: Скануюча зондова мікроскопія - STM і AFM

Last updated
Save as PDF

Page ID: 17703

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

На початку 1980-х років два вчені IBM, Binnig & Rohrer, розробили нову методику вивчення структури поверхні - Скануюча тунельна мікроскопія (STM). За цим винаходом швидко послідувала розробка цілого сімейства суміжних методів, які разом з STM можуть бути віднесені до загальної категорії методів скануючої зондової мікроскопії (SPM). З цих пізніших методів найважливішим є атомно-силова мікроскопія (AFM). Розвиток цих методів, без сумніву, був найважливішою подією в галузі поверхневої науки останнім часом і відкрив багато нових областей науки та техніки на атомному та молекулярному рівні.

Основні принципи методик SPM

Всі методи засновані на скануванні зонда (зазвичай називається наконечником в STM, оскільки він буквально є гострим металевим наконечником) трохи над поверхнею під час моніторингу деякої взаємодії між зондом і поверхнею.

Взаємодія, яка контролюється в:

STM - це тунельний струм між металевим наконечником і провідною підкладкою, які знаходяться в дуже близькій близькості, але насправді не в фізичному контакті.
AFM - це сила ван дер Ваальса між наконечником і поверхнею; це може бути або сила відштовхування короткого діапазону (в контактному режимі), або більша сила притягання (в безконтактному режимі).

Для методів надання інформації про структуру поверхні на атомному рівні (на що вони здатні):

положення наконечника по відношенню до поверхні повинні бути дуже точно контрольовані (в межах приблизно 0,1 Å), переміщаючи або поверхню, або кінчик.
кінчик повинен бути дуже гострим - в ідеалі закінчується всього одним атомом в найближчій його точці наближення до поверхні.

Увага, приділена першій проблемі і інженерному її вирішенню, полягає в різниці між хорошим мікроскопом і не дуже хорошим мікроскопом - тут нас не потрібно хвилювати, достатньо сказати, що можна точно контролювати відносні положення наконечника і поверхні, забезпечуючи хорошу вібрацію ізоляція мікроскопа і використання чутливих п'єзоелектричних пристроїв позиціонування.

Підготовка наконечників сама по собі є наукою - сказавши це, це значною мірою серендіпіті, яка гарантує, що один атом на кінчику ближче до поверхні, ніж всі інші.

Давайте розглянемо область, де кінчик наближається до поверхні більш детально...

... кінець наконечника майже незмінно покаже певну кількість структури, з різними кришталевими гранями, оголеними...

... і якщо ми зараз опустимося до атомної шкали...

... існує розумна ймовірність закінчитися справді атомним наконечником.

Якщо наконечник зміщений по відношенню до поверхні шляхом застосування напруги між ними, то електрони можуть тунелювати між ними за умови, що поділ наконечника і поверхні досить малий - це породжує тунельний струм.

Напрямок течії струму визначається полярністю зміщення.

Якщо зразок зміщений -ve щодо наконечника, то електрони будуть текти від поверхні до кінчика, як показано вище, тоді як якщо зразок зміщений +ve щодо наконечника, то електрони будуть текти від кінчика до поверхні, як показано нижче.

Назва методики походить від квантового механічного тунелювання -типу механізму, за допомогою якого електрони можуть переміщатися між наконечником і підкладкою. Квантове механічне тунелювання дозволяє частинкам тунелювати через потенційний бар'єр, який вони не змогли подолати відповідно до класичних законів фізики - в цьому випадку електрони здатні пройти класично заборонену область між двома твердими частинами, як схематично показано на енергетичній діаграмі. нижче.

Це надто спрощена модель тунелювання, яка відбувається в STM, але це корисна відправна точка для розуміння того, як працює техніка. У цій моделі ймовірність тунелювання експоненціально залежить від відстані поділу між кінчиком і поверхнею: тунельний струм, отже, є дуже чутливим зондом цього поділу.

Потім візуалізація топології поверхні може здійснюватися одним із двох способів:

в режимі постійної висоти (в якому струм тунелювання контролюється при скануванні наконечника паралельно поверхні)
в режимі постійного струму (при якому струм тунелювання підтримується постійним при скануванні наконечника по всій поверхні)

Якщо наконечник сканується на тому, що номінально є постійною висотою над поверхнею, то насправді відбувається періодична зміна відстані поділу між атомами верхівки і поверхні. В одній точці наконечник буде безпосередньо над поверхневим атомом, а струм тунелювання буде великим, тоді як в інших точках кінчик буде вище порожнистих ділянок на поверхні, а струм тунелювання буде набагато меншим.

Таким чином, графік положення наконечника тунельного струму v показує періодичну варіацію, яка відповідає структурі поверхні - отже, вона забезпечує пряме «зображення» поверхні (і до моменту обробки даних це може навіть виглядати як реальна картина поверхні!).

На практиці, однак, нормальний спосіб візуалізації поверхні полягає в підтримці постійного струму тунелювання в той час як наконечник сканується по всій поверхні. Це досягається регулюванням висоти наконечника над поверхнею так, щоб струм тунелювання не змінювався в залежності від положення бічного наконечника. У цьому режимі кінчик буде рухатися трохи вгору, коли він проходить над поверхневим атомом, і навпаки, трохи у напрямку до поверхні, коли він проходить над порожниною.

Потім зображення формується шляхом побудови висоти наконечника (строго, напруга, прикладена до z-piezo) v положення бічного наконечника.

Резюме

Підсумовуючи, розробка різних методів скануючої зондової мікроскопії зробила революцію у вивченні структури поверхні - зображення з атомною роздільною здатністю були отримані не тільки на монокристалічних підкладках в УВЧ, але і на зразках при атмосферному тиску і навіть під розчином. Однак багато проблем все ще залишаються, і інтерпретація даних SPM не завжди настільки проста, як може здатися спочатку. Існує ще дуже багато місця для більш традиційних поверхневих структурних методів, таких як LEED.

Цей вступ до STM зосередився на неінвазивних застосуваннях візуалізації техніки, але зростає інтерес до використання таких методів як інструменту для фактичної модифікації поверхонь. На даний момент це все ще знаходиться на стадії «хитрості», але довгострокові наслідки можливості маніпулювати поверхневою структурою та молекулами на атомному рівні ще не повністю оцінені: ми можемо, але чекати майбутнього з інтересом!