Основные понятия и термины нанонауки и нанохимии
Сканирующая туннельная микроскопия
жүктеу/скачать 1,04 Mb. Pdf көрінісі
|
| 3.3.2.2. Сканирующая туннельная микроскопия
Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) – один из методов зондовой сканирующей микроскопии, в котором анализируют плот- ность состояний атомов поверхности с помощью измерения туннель- ного тока. Метод предназначен для исследования поверхности проводящих веществ и материалов на атомном уровне и для формирования трех- мерного изображения поверхности, а также является одной из техно- логий, позволяющих создавать на поверхности вещества (материала) искусственные наноструктуры путем перемещения отдельных атомов. СТМ может быть использована не только в условиях сверхвысокого вакуума, но и на воздухе, в газах и в жидкости, а также при температу- рах начиная от долей градуса Кельвина и почти до 1000 К. Принцип действия СТМ основан на туннельном эффекте. В СТМ (рис. 3.7) система пьезокристаллов, управляемая компьютером, обес- печивает трехкоординатное перемещение металлического зонда на расстоянии порядка 0.1 нм от исследуемой поверхности. Между ней и зондом прикладывают напряжение около 1 В и регистрируют возни- кающий туннельный ток. Компьютер управляет вертикальным пере- мещением зонда так, чтобы ток поддерживался на постоянном задан- ном уровне, и горизонтальными перемещениями по осям х и у, т.е. сканированием. Воспроизводимое на дисплее семейство кривых, отве- чающих перемещениям зонда, является изображением эквипотенци- альной поверхности, поэтому атомы изображаются в виде полусфер 25 различных радиусов. Латеральное разрешение (вдоль поверхности) достигает 0.1 нм, а нормальное к поверхности – 0.01 нм. Рис. 3.7. Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (school-collection) Метод сканирующей туннельной микроскопии основан на кванто- вом туннелировании (проявление туннельного эффекта заключается в том, что частица, первоначально локализованная по одну сторону по- тенциального барьера – области, пересечение которой недоступно для классической частицы, поскольку потенциальная энергия превышает ее полную энергию – может с отличной от нуля вероятностью проник- нуть через барьер и быть обнаруженной по другую его сторону). Иглы-зонды обычно изготавливают из металлической проволоки (например, W, Pt–Ir, Au). Процедура подготовки атомарно острой иглы включает в себя предварительную обработку иглы ex situ (механиче- ская полировка, скол или электрохимическое травление) и последую- щую обработку in situ в сверхвысоковакуумной камере. Острая игла микроскопа помещается настолько близко к исследуемой поверхности, что волновые функции наиболее близкого атома иглы и атомов по- верхности образца перекрываются. Это условие выполняется при ве- личине промежутка игла-образец 0.5-2.0 нм. Если приложить напря- жение между иглой и образцом, то через промежуток потечет тун- нельный ток. 26 Величина туннельного тока существенно зависит от расстояния между иглой и поверхностью образца. Зависимость величины тун- нельного тока I от расстояния δ при напряжении V можно оценить по формуле I ≈ kVe -cδ , где с и к – величины, слабо зависящие от материала образца и иглы, которые можно считать константами, с ≈ 2.1 . 10 10 м -1 . Приведенная формула носит приближенный характер в связи со значительным чис- лом факторов, влияющих на величину туннельного тока, тем не менее, эта зависимость хорошо подтверждается экспериментом. С помощью СТМ, приложив несколько большее, чем при скани- ровании, напряжение между поверхностью объекта и зондом, можно добиться того, что к зонду притянутся один или несколько атомов, ко- торые можно поднять и перенести на другое место. Прикладывая к зонду определенное напряжение, можно заставить атомы двигаться вдоль поверхности или отделить несколько атомов от молекулы. Изо- бражения, полученные с помощью СТМ, представлены на рис. 3.8. А б Рис. 3.8. Атомы железа на медной подложке (а); поверхность меди (б). STM Image Gallery, IBM Corporation Метод СТМ широко используется для изучения тонких пленок, квантовых точек, углеродных нанотрубок и других наноразмерных объектов. Так, развитие метода вакуумного СТМ позволило опреде- 27 лить атомную структуру поверхностей монокристаллов, пленок Лен- гмюра-Блоджетт, самособирающихся монослоев, спин-поляризацион- ная туннельная микроскопия позволила отследить направления маг- нитных моментов отдельных атомов. жүктеу/скачать 1,04 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|