Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)

Зондирование местной электронной структуры поверхности образца

Сканирующая туннельная микроскопия (STM) – это рабочий режим сканирующего зондового микроскопа SPM-ХЕ.  STM является предшественником всех сканирующих зондовых микроскопов. Он был изобретен в 1981 Гердом Биннигом (Gerd Binnig) и Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer) в компании  IBM Zurich. Пять лет спустя они были удостоены нобелевской премии за свое изобретение по физике. STM явился первым микроскопом, который позволил получать изображения поверхности с очень точным, атомарным разрешением.

Работа сканирующей туннельной микроскопии и АСМ проводимости очень схожи за исключением то, что в STM используется заостренная  проводящая игла вместо проводящего кантилевера, как в АСМ проводимости. Напряжение сдвига подается между зондом и образцом. Когда зонд приближается к поверхности на расстояние около 10 Å, электроны от образца начинают «проходить» через промежуток  10 Å в зонд или, наоборот, в зависимости от сдвига напряжения, как показано на рисунке 1. Результирующий туннельный ток меняется в зависимости от дистанции  «зонд-образец». Образец и зонд должны быть проводниками или полупроводниками. STM не используется для создания изображений диэлектриков.

Рисунок 1. Схема системы СТМ серии XE

Рисунок 2. Сравнение методов (a) постоянной высоты и (b) постоянного туннельного тока для СТМ

Зависимость туннельного тока от дистанции является экспоненциальной. По квантовой теории механики туннельный ток (I_t) вычисляется как:

I_t = e^-kd

где d – это дистанция между зондом и поверхностью образца.

Если расстояние между зондом и поверхностью образца изменяется на 10% (порядка 1 Å), туннельный ток изменяется на один порядок. Подобная экспоненциальная зависимость обеспечивает микроскопу STM превосходную чувствительность. СТМ способен изобразить поверхность образца с точностью в доли ангстрема в вертикальном направлении и с атомарным разрешением в латеральной плоскости.

В сканирующей туннельной микроскопии могут использоваться разные методы: получение «топографического» (при постоянном токе) изображения и разных напряжений сдвига; получение токовых сканов при разной, но постоянной, высоте сканирования; при линейном сдвиге напряжения и определенном расположении зонда в момент записи туннельного тока. Последний пример представляет собой кривую зависимости тока от напряжения (I-V) электронной структуры в конкретной точке XY поверхности образца. STM можно настроить для получения кривых I-V в каждой точке поверхности, чтобы иметь трехмерное изображение электронной структуры. При наличии в схеме синхронного усилителя можно получить зависимости dI/dV (проводимость) или dI/dz (рабочая функция) от V. Все указанные варианты зондирования электронной структуры поверхности применяют в микроскопе STM.

Схема методик измерений при постоянной высоте и постоянном токе показана на рисунке 2. В режиме постоянной высоты зонд перемещается в горизонтальной плоскости над поверхностью образца и туннельный ток изменяется в зависимости от рельефных и электронных свойств поверхности. Tуннельный ток измеряется в каждой точке поверхности образца, топографическое изображение поверхности представлено на рисунке 2 (a).

В режиме постоянного тока сканирующей туннельной микроскопии применяется обратная связь, которая поддерживает постоянное значение туннельного тока путем регулировки высоты сканера в каждой конкретной точке измерения, как показано на рисунке 2 (b). Например, когда система обнаруживает увеличение туннельного тока, она регулирует его с помощью Z- сканера путем увеличения дистанции между зондом и образцом. В режиме постоянного тока перемещение сканера обеспечивает получение перечня данных. Если система сохраняет туннельный ток постоянным с погрешностью в нескольких процентов, дистанция «зонд-образец» также будет постоянной в пределах нескольких сотен ангстрем. Каждый из двух методов имеет преимущества и недостатки. Режим постоянной высоты работает быстрее, так как система не перемещает сканер вверх-вниз, но он удобен только для изучения достаточно гладких поверхностей. Режим постоянного тока измеряет рельефность с высокой точностью, но требует больше времени.

После первой аппроксимацией сигнал туннельного тока создает топографическое изображение образца. Туннельный ток соответствует электронной плотности поверхности. STM чувствителен к количеству заполненных или незаполненных электронных уровней около уровня Ферми, в пределах энергетического ряда, определенного напряжением сдвига. Это больше, чем просто измерение физической топографии (рельефа), микроскоп измеряет саму возможность постоянного прохождения электронов для данной поверхности.

С пессимистической точки зрения чувствительность STM к местной электронной структуре может стать причиной сложностей, связанных с получением топографии. Например, если область образца покрыта окислами, туннельный ток стремительно падает, если зонд создает отверстие в поверхности.

С оптимистической точки зрения чувствительность СТМ к местной электронной структуре может иметь огромное преимущество. Другие методики для получения информации об электронных свойствах образца собирают данные с большой поверхности образца, от нескольких микрон до нескольких миллиметров. СТМ можно использоваться как инструмент для анализа поверхности, который сканирует электронные свойства поверхности образца с атомарной точностью. На рисунке 3 показана (a) топография и (b) STM изображение высокого порядка (HOPG).

Рисунок 3. (a) Топография и (b) STM изображение HOPG (размер скана 5 нм)

Для режимов XE-STM предлагается два токовых усилителя: «внутренний STM» и «внешний STM». «Внутренний  STM» - это    режим STM, в котором применяется токовый усилитель фиксированного усиления, размещенный в модуле головки с изменяемой длиной. Во «внутреннем STM» диапазон значений измеренного туннельного тока фиксирован, так как усиление постоянно. Во «внешнем STM» измеренный туннельный ток можно изменять благодаря переменному коэффициенту усиления. «Внешний STM» - это режим STM, в котором применяется внешний малошумный токовый усилитель с переменным усилением (см. «Внешний малошумный токовый усилитель»).

Режим спектроскопии «I/V» обеспечивает получение кривых зависимостей тока (I) от напряжения (V) для изучения электрических свойств поверхности образца. Кривая «I/V» – это график зависимости тока от напряжения зонда относительно образца.

Необходимые опции

Внутренний

• STM
• Зонды STM и держатель зонда STM 
• Модуль головки  и несущий модуль

Внешний

• STM
• Зонды STM и держатель зондов STM
• Внешний малошумный токовый усилитель
• Модуль головки и несущий модуль

Микроскопы, работающие в режиме сканирующей туннельной микроскопии (STM):