Методы ионизирующей и зондовой микроскопии.

Основные методы:

Сканирующая туннельная микроскопия

Атомно-силовая микроскопия

Ближнепольная оптическая микроскопия.

Они все основаны на взаимодействии зонда, находящегося на расстоянии, сравнимым с межатомными, с поверхностью.

Основы сканирующей туннельной микроскопии, принцип работы.

Заключается в том, что на расстоянии порядка 1 нм к пов-ти подводятся атомарно тонкий зонд, соотв., между поверхностью и зондом подается напряжение, под действием которого возможен туннельный переход электронов между пов-тью и зондом. При туннелировании преодолевается энергетический барьер в виде работы выхода, и соотв., возникает туннельный ток. Плотность туннельного тока зависит от расстояния и поданного напряжения. Упрощено(для малых напряжений) можно представить в виде выражения: дельтаZ – расст. между зондом и поверхностью, ϕ^* - потенциал между ними.

Каждые пол ангстрема ток повышается в e раз.

1. ОСП часть взаимодействия приходится на два ближайших к зонду атома(либо с одним).

Если напряжения смещения повышает работу выхода – то начинается полевая электронная эмиссия.

Техника сканирующей туннельной микроскопии.

Сложности возникают при перемещении иглы на нанометровых масштабах. Существует решение в виде пьезосканеров. Пьезотрубка способна изгибаться в любом направлении при приложении напряжения. Используются две трубки – одна рабочая, другая для компенсации температурной деформации. Для более грубого позиционирования используются координатные стойки и прочая исследовательская техника.

Туннельный микроскоп может применяться как в вакууме, так и без него. Причины возможности применения в отсутствии вакуума:

Концентрация молекул в газообразном воздухе – 10^…, в среднем одна молекула находится в кубе со стороной 10 нм. Рабочий промежуток – область 1 нм, вероятность того, что молекула находится в этом промежутке – одна тысячная. Промежуток настолько маленький, что он "сам себе вакуум". Недостаток – воздух влияет на механическую точность системы, влияя на точность позиционирования.

Иглы для стм.

Получают из металлической проволоки, используется вольфрам, сплав платины с иридием. Методы получения – травление в каппилярном отверстии с одновременным вытягиванием, и механическое разрезание.

Методы работы и получаемые результаты.

Первое направление исследований – атомарная структура поверхностей. Исследуют двумя методами:

Метод постоянной высоты. Используют, когда поверхность достаточно ровная. В этом случае происходят небольшие изменения высоты в тех точках, где расположены атомы, но поскольку мы говорили о экспоненциальной зависимости тока от высоты, то мы можем фиксировать повышения значения тока из-за изменения высоты (в местах расположения атомов).

Метод постоянного туннельного тока. Заключается в том, что система обратной связи при сканировании располагает зонд таким образом, чтобы туннельный ток оставался постоянным. Сигналом при этом являются непосредственно координаты зонда, которые приходится задавать системе зонда; они повторяют форму поверхности.

Второе направление исследований – измерение локальной работы выхода.

Для измерения локальной работы выхода на пьезосканер придают периодически изменяемое напряжение, которое приводят к периодическим изменениям расстояния между зондом и поверхностью.

При малых колебаниях:

- можно мерить работу выхода.

Третье применение – туннельная спектроскопия по вольтамперным характеристикам.

В простом случае, когда барьер прямоугольный и низкие температуры, плотность состояния вблизи уровня Ферми в металле Зонда практически постоянна, и тогда можно записать упрощенное выражение:

ВАХ.

1) Характеристика металл-металл. До тех пор, пока контакт остается туннельным, плотность состояний на поверхности у металлов остается примерно постоянной, а это является определяющим фактором. Превышается уровень барьера, начинается электронная эмиссия.

2) Случай контакта металл-полупроводник. При приложении напряжения в обратном направлении зависимость как у p-n перехода(до пробоя). Вид производной позволяет нам говорить о плотности состояний в полупроводнике. Можно по границам роста определять границы уровня Ферми,.., если проводник примесный – определять, на каком уровне находятся примеси.

3) Контакт металл-сверхпроводник. Для с/п состояния находятся в виде ..пар, а свободные состояния отделены от них энергетической щелью. Когда потенциал смещения достигает щели, то возникает туннельный ток. При обратном смещении происходит расщепление куперовских пар, один из электронов занимает состояние около уровня металла, а другой преодолевает величину энергетической щели, так что возникает другая ветвь, подобная первой. Сказанное верно для температуры вблизи абсолютного нуля, в остальных случаях все равно возникает ток. В местах преодоления энергетической щели производная будет иметь высокие, хорошо видимые, пики.