Сканирующая туннельная микроскопия

Принцип работы сканирующей туннельной микроскопии

Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) основана на квантовомеханическом эффекте туннелирования электронов между проводящим остриём и поверхностью образца, разделённых вакуумным зазором толщиной порядка нанометров. При подаче напряжения между зондом и поверхностью возникает туннельный ток, величина которого экспоненциально зависит от расстояния между зондом и образцом. Это свойство позволяет регистрировать мельчайшие изменения топографии поверхности с атомным разрешением.

В основе метода лежит уравнение туннельного тока:

I ∝ V ⋅ e−2κd

где I — туннельный ток, V — приложенное напряжение, d — расстояние между зондом и поверхностью, $\kappa \approx \sqrt{\frac{2m\varphi}{\hbar^2}}$ — коэффициент, зависящий от работы выхода φ и массы электрона m.

Даже изменение зазора на 0,01 нм приводит к изменению тока на десятки процентов, что делает метод исключительно чувствительным.

Конструкция и основные элементы СТМ

  1. Пьезоэлектрический сканер — обеспечивает перемещение зонда в трёх координатах (X, Y, Z) с субнанометровой точностью.
  2. Зонд — металлическое острие (обычно из вольфрама или платино-иридиевого сплава) с радиусом закругления менее 10 нм.
  3. Система виброизоляции — предотвращает влияние механических шумов, которые могут исказить изображение.
  4. Электронная схема стабилизации тока — контролирует постоянство туннельного тока, регулируя положение зонда по оси Z.

Режимы работы

  1. Режим постоянного тока В процессе сканирования электронная система изменяет высоту зонда так, чтобы туннельный ток оставался постоянным. Регистрируемая карта перемещений по Z соответствует топографии поверхности.

  2. Режим постоянной высоты Высота зонда остаётся неизменной, а измеряется вариация туннельного тока при перемещении по поверхности. Этот режим позволяет быстрее сканировать, но требует исключительно ровной поверхности и высокой виброизоляции.

Спектроскопия туннелирования

СТМ позволяет не только визуализировать поверхность, но и исследовать локальную электронную структуру. Метод сканирующей туннельной спектроскопии (STS) измеряет зависимость туннельного тока I от приложенного напряжения V в фиксированной точке. Дифференциальная проводимость dI/dV прямо связана с локальной плотностью электронных состояний (LDOS). Это даёт возможность исследовать:

  • энергетическое распределение состояний на поверхности;
  • локальные дефекты и адсорбированные атомы;
  • зонную структуру наноматериалов.

Пространственное разрешение и факторы, его определяющие

СТМ может достигать разрешения до 0,1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали. Ограничивающими факторами являются:

  • форма и острота зонда (в идеале — одиночный атом на вершине);
  • стабильность пьезосканера;
  • уровень вибраций и акустических шумов;
  • чистота поверхности (наличие адсорбированных молекул ухудшает разрешение).

Применения СТМ в физике конденсированного состояния

  • Исследование атомной структуры кристаллов — визуализация атомных решёток, точечных дефектов, вакансий.
  • Изучение реконструкции поверхности — регистрация перестройки атомных рядов при изменении температуры или адсорбции.
  • Нанофабрикация и манипуляции атомами — перемещение отдельных атомов и создание искусственных наноструктур.
  • Изучение сверхпроводников — картирование сверхпроводящей щели и вихревых состояний.
  • Химическая идентификация — определение типа адсорбированных молекул по спектрам туннелирования.

Особенности работы при низких температурах и в магнитных полях

Использование СТМ при температурах ниже 4 К позволяет существенно снизить тепловые колебания и достичь высочайшего энергетического разрешения, необходимого для исследования сверхпроводящих и квантовых состояний. Применение сильных магнитных полей даёт возможность исследовать поведение электронных систем в условиях квантового эффекта Холла и в вихревых решётках сверхпроводников.

Ограничения метода

  • Необходимость высокой проводимости образца или покрытия его тонким проводящим слоем.
  • Чувствительность к вибрациям и электромагнитным шумам.
  • Требование ультравысокого вакуума (UHV) для работы с чистыми поверхностями.
  • Невозможность прямого исследования изоляторов без модификации техники (например, Кельвин-зондовая СТМ).
Оглавление