Сканирующая туннельная микроскопия

 

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

Томский государственный  университет систем управления и  радиоэлектроники (ТУСУР)

 

Кафедра физической электроники (ФЭ)

 

«Сканирующая туннельная микроскопия»

Пояснительная записка к  курсовой работе по дисциплине

«Экспериментальные методы исследования и метрология»

 

 

  Выполнил:

                                    студент гр. 320

                                                          _______Н.Е. Курбанова

                                              «14» декабря 2012

 

Проверил:

ассистент каф. ФЭ

______Саврук Е. В.

«14» декабря 2012г.

2012

Министерство образования и науки РФ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

 

 

 

 

Кафедра физической электроники (ФЭ)

 

УТВЕРЖДАЮ

зав. кафедрой ФЭ

Троян П.Е.

_______________

 

Задание

по курсовому проектированию по дисциплине

«Экспериментальные методы исследования и Метрология (ЭМИиМ)»

Студенту Курбановой Наталье  Евгеньевне

группа 320 факультет ФЭТ

1. Тема проекта:      «Сканирующая туннельная микроскопия»

2. Содержание пояснительной записки:

2.1  История создания СТМ

2.2  Устройство СТМ

3. Принцип действия СТМ
4. Основные метрологические задачи, решаемые с помощью СТМ
5. Метрологические характеристики СТМ

Дата выдачи задания: « 2 »  ноября 2012 г.

Руководитель: ассистент  каф. ФЭ Е.В. Саврук

_______________

 

3. Срок сдачи законченного проекта « » декабря 2012 г.

 

Задание приняла к исполнению Н.Е.Курбанова

______________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

Курсовая работа стр.31, рис.16, источников 6.

Сканирующая туннельная микроскопия, устройство и принцип работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), методы подготовки атомно-острых проводящих зондов. Метрологические задачи и характеристики СТМ, погрешность и точность измерений.

Объектом изучения являются СТМ, его характеристики и целесообразность применения микроскопа в нанотехнологиях.

Целью курсовой работы является на основе работы СТМ систематизировать и расширить теоретические знания по специальности, приобрести навыки решения метрологических задач с помощью СТМ.

В результате работы был  изучен принцип работы СТМ и метрологические задачи, решаемые с помощью данного прибора.

Данный текстовый документ подготовлен в среде Microsoft Word 2007.

 

 

 

ABSTRACT

Course Project pages, paints,  sources, registered guests.

Scanning tunneling microscopy, structure and working principle of scanning tunneling microscope (STM), the methods of preparation of atomic-sharp conducting probe. Metrological characteristics of the problem and the STM, accuracy and precision.

The object of study is the STM, its characteristics and usefulness of the microscope in nanotechnology.

The aim of the course work is based on STM organize and expand the theoretical knowledge in the specialty, the skills solutions metrology tasks using STM.

As a result of the work was to study the principles of STM and metrological problems solved with the help of this device.

This text document is prepared in the environment of Microsoft Word 2007.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….7

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………………………………………………….8

   1.1.История создания СТМ…………………………………….…………......8

1.2.Устройство СТМ…………………………………………………………….9                                          1.3. Принцип действия СТМ………………………………………………....11

2 МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ АТОМНО-ОСТРЫХ ПРОВОДЯЩИХ

ЗОНДОВ………………………………………………………………………….13

3 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ...............................................................................14

3.1Туннельный эффект…………………………………………………………..14   3.2Туннельная спектроскопия……………………………………………………17

4.ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ  ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ СТМ……………………………………………………………....19

5.МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ  ХАРАКТЕРИСТИКИ СТМ, ПОГРЕШНОСТЬ 

И ТОЧНОСТ ИЗМЕРЕНИЙ.…………………………………………………..22

6.ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ  МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ С 

ПОМОЩЬЮ СТМ.……………………………………………………………...25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………...30

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………..31

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Физика поверхностных  явлений в настоящее время  является одним

из наиболее интенсивно развивающихся  разделов науки. Именно на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твёрдого тела основаны успехи современной микро- и наноэлетроники. Поэтому исследование разнообразных электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел, остаётся актуальной задачей.

Последнее десятилетие в  экспериментальной физике характеризуется  интенсивным развитием принципиально  новых методов изучения поверхностей с нанометровым и атомарным пространственным разрешением. Эти методы объединены под общим названием — сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Этот термин относится к любым типам микроскопов, в которых изображение формируется за счёт перемещения (сканирования) острого микрозонда (иглы) над исследуемой поверхностью. Главным достоинством современных СЗМ являются: возможность получения достоверных данных о высоте микрорельефа, отсутствие дополнительных промежуточных процедур (напыление, изготовление реплик), снижающих достоверность результатов; возможность получения нанометрового, а иногда и ангстремного разрешения на воздухе.

СЗМ эффективно используется для исследований в различных  областях науки и техники: в биологии и медицине, в материаловедении, в исследованиях различных покрытий и тонких пленок, полимерных и наноструктурированных материалов, в химии и химической промышленности, физике и т.д.

Родоначальником таких приборов является сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Данный курсовой проект направлен на ознакомление физического принципа работы и устройства именно данного вида СЗМ.

 

 

 

1 ТЕОРИТИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ

1. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СТМ

 

История создания этой методики берет свое начало с конца 60-х годов XX века, когда  Р. Янг (Национальное бюро стандартов, США) попытался использовать электронное  туннелирование для исследования геометрической структуры поверхности. С этой целью  он разработал прибор, названный им топографиметром, весьма напоминающий современный СТМ за одним принципиальным исключением: сканирование осуществлялось на расстоянии приблизительно от поверхности и в режиме полевой электронной эмиссии (а не вакуумного туннелирования). В результате удалось наблюдать, например, поверхность дифракционной решетки ( линий/мм), но с разрешением лишь несколько сот ангстрем.

В ноябре 1978 года будущие Нобелевские  лауреаты Бинниг и Рорер вернулись к идее использования вакуумного туннелирования для локальной спектроскопии тонких оксидных слоев на металлах. Для перемещения острия на малые расстояния и поддержания ширины вакуумного зазора с субангстремной точностью были использованы пьезоэлектрические материалы и система обратной связи.

 День 16 марта 1981 года считается  датой рождения сканирующей туннельной  микроскопии. 

Основная область применения СТМ - физика твердых тел. Уже первые эксперименты по исследованию поверхности золота Au(100) относительно которой было известно, что она испытывает реконструкцию 1×2, позволили наблюдать различные сверхструктуры и ступеньки моноатомной высоты, что беспорно свидетельствовало о разрешении прибора порядка нескольких ангстрем (сами исследователи ожидали получить геометрическое разрешение по плоскости наблюдения не более 45 ангстрем). И стало ясно, что в руках ученых появился уникальный инструмент, позволяющий наблюдать на поверхности отдельные атомы. Но чтобы убедить широкие круги научной общественности в том, что получаемые данные являются реальными экспериментальными результатами, а не данными компьютерного моделирования, понадобилось провести исследования поверхности кремния.

1.2 УСТРОЙСТВО СТМ

Рассмотрим устройство СТМ. На рис. 1.2 показана схема основного узла туннельного микроскопа.

1-основание; 2-упругий элемент; 3-сканер; 4-втулка; 5-карусель; 6-образец; 7-столик образца; 8-опора; 9-пьезоэлемент;10-катушка электромагнита; 11-винт грубого подвода по Z; 12- шаговый двигатель; 13-винт точного подвода по Z; 14-толкатель-компенсатор

Рисунок 1.2. Схема конструкции СТМ.

Получше рисунка нет?

Массивное основание имеет  два плеча, разделенных упругой  перемычкой. В одном плече установлен трубчатый одноэлементный пьезосканер. Пьезоэлемент закреплен в стакане, что позволяет не только обеспечить его быструю сменяемость, но и ввести в зазор между ними вязко-упругий демпфер, несколько ослабляющий резонансные свойства сканера. В другом плече основания закреплена ось вращения карусели, предназначенной для перемещения исследуемого образца. Исследуемый образец закрепляется на координатном столе, изготовленном из стали, который, в свою очередь, установлен на четырех стальных опорах. Взаимное положение этих опор может регулироваться системой пьезоэлементов, а фиксация стола осуществляется за счет сил магнитного притяжения, регулируемых системой электромагнитов. Для фиксации стола в состоянии покоя используется постоянный магнит. Подача определенной последовательности импульсов тока на электромагниты и импульсов напряжения на пьезоэлементы вызывает перемещение стола в выбранном направлении. При этом величина шага составляет 0,1 мкм и менее. Установка исходного расстояния зонд-образец проводится с помощью винта, перемещающего карусель вдоль оси вращения. Полный диапазон этого перемещения составляет 8мм, минимальный шаг - около 5мкм. Более точная регулировка зонд-подложка осуществляется за счет изгиба упругого элемента. Шаговый двигатель, установленный на одном из плеч основания, вращает винт и через компенсатор отталкивает второе плечо. Полный диапазон второй ступени подвода по Z составляет 100мкм. Материал компенсатора выбран таким образом, чтобы компенсировать изменение расстояния зонд-образец, происходящее за счет изменения температуры в помещении.

Система виброизоляции выполнена в виде пружинно-рычажной конструкции и введена в механическую часть СТМ. Она представляет собой рычаг, на одном из концов которого закреплен основной узел СТМ. Его вес уравновешен упругой силой пружины, закрепленной между базовой плитой и вторым концом рычага. Применение упругих резиновых элементов в точке опоры рычага и в точке крепления основного узла к рычагу деформирует собственный резонанс системы виброизоляции. Такая конструкция является малогабаритной и, в то же время, обладает низкой резонансной частотой (около 1,5 Гц). 

Современные микроскопы основаны на аналогичном принципе и имеют  схожую конструкцию (рис.1.2.2). Дополнительно к ним могут быть введены системы активной виброзащиты, модули емкостной компенсации дрейфов, видеокамеры и другие средства, обеспечивающие возможность получения лучших результатов в изображении поверхности и облегчающие работу на микроскопе.       

Рисунок.1.3 СММ-2000Т (сканирующий мультимикроскоп туннельный)

 

 

1.3 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СТМ

 

Принцип действия сканирующего туннельного  микроскопа (СТМ) довольно прост, но кардинально  отличается от всех предшествующих методик, применявшихся в физике поверхности.

Вообще  СТМ можно рассматривать как  сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике, а электронное туннелирование с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления СТМ (как и контактная спектроскопия). Все это делает СТМ уникальным микроскопом, который не содержит линз (а значит, изображение не искажается из-за аберраций), энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопии высокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов.

Принцип работы СТМ сравнительно прост. Сканирующая металлическая  игла (рабочая часть игл размера порядка десяти нанометров), закрепленная в трехкоординатном приводе P_X, P_Y, P_Z, расположена перпендикулярно исследуемой поверхности (рисунок 1.2).

1 – игла; 2 – исследуемая  поверхность; 3 – трехкоординатный пьезопривод; 4 – система обратной связи

Рисунок. 1.3 Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа.

С помощью пьезопривода игла подводится к поверхности образца до возникновения туннельного тока I_T, который определяется величиной зазора s между иглой и поверхностью:

,

где Ф – величина потенциального барьера в зазоре, измеряемая в электронвольтах;

U – напряжение, приложенное между иглой и образцом в вольтах;

s – зазор между поверхностью и иглой в ангстремах.

При постоянном напряжении U на зазоре игла перемещается вдоль поверхности, причем с помощью системы обратной связи, воздействующей на пьезоэлемент P_Z, туннельный ток I_T поддерживают постоянным. Если величина барьера Ф постоянна вдоль исследуемой поверхности (материал поверхности однороден), то величина туннельного тока будет изменяться пропорционально величине зазора между иглой и поверхностью и график изменения этого тока будет описывать профиль рельефа поверхности. Набор таких профилей даст непосредственную информацию о топографии поверхности.