Сканирующая туннельная микроскопия

Погрешность смещения Аббе происходит из-за изгиба Z-пьезоманипулятора в процессе сканирования и некоторой, в зависимости от того, чем производят сканирование образцом или иглой, толщины образца или длины иглы. Например, абсолютная погрешность смещения Аббе для иглы длиной, скажем, 5 мм при перемещении от одного края к другому на поле (7×7) мк точного манипулятора с длиной трубки 32 мм составляет около 1.1 мкм. Ни толщина образца, ни длина иглы заранее, как правило, точно неизвестны.

Поскольку среднюю толщину  образца обычно измерить проще чем  длину иглы, то схема сканирования образцом выглядит предпочтительнее.

Таким образом, абсолютная погрешность  смещения Аббе из-за погрешности измерения толщины образца (длины иглы), скажем, в ±1.5 мкм на краю поля приблизительно равна ±1.6 Å. Если бы толщина образца (длина иглы) была бы точно известна, а свободный конец манипулятора изгибался бы строго по окружности, что на практике не наблюдается, то погрешность смещения Аббе можно было бы легко скорректировать, вводя для каждой точки в растре соответствующие поправки в горизонтальной и вертикальной

плоскостях.

Обсуждаемый тип погрешности  устраняется в процессе распределённой калибровки.

Если сканирование производится образцом, то при смене образца  необходимо посредством держателя  фиксировать одно и тоже смещение поверхности образца от края манипулятора. Если сканирование производится иглой, то в случае её замены возможны три варианта: перекалибровка сканера, изготовление игл с одинаковой длиной, использование держателя иглы, обеспечивающего одно и тоже смещение кончика иглы от края манипулятора. В последних двух вариантах отклонение от номинального положения плоскости сканирования, как и при установке нового образца, также может составлять несколько микрон.

При исследовании поверхности  с помощью СТМ также могут  возникать погрешности, связанные  с:

1) наклоном исследуемой поверхности, т.е. участки поверхности, которые исследуются с помощью зондовых микроскопов, имеют достаточно малые размеры: от сотен нанометров до нескольких микрон. Это является одной из причин того, что достаточно часто исследуемый участок поверхности имеет некоторый наклон.

При наклоне образца пропадает  наблюдаемость глубин рельефных рельефных неровностей. Кроме этого следует иметь в виду, что весь диапазон возможных

высот на изображении часто  кодируются весьма малым диапазоном видимых

цветов. Поэтому даже при  незначительном наклоне рельефа  мелкие образо-

вания на поверхности образца оказываются плохо различимыми в их цвето-

вом представлении.(рисунок 5.1).

                             а                                                                б

Рис.5.1.Уменьшение отношения перепада высот к размерам нанобъектов.

а - исходное изображение, б – результат вычитания общего наклона.

Рассмотрим в качестве примера срез рельефа поверхности, изображенный на рис. 5.1. а. Перепад высот на изображенном участке достигает 30 нм. Если образование имеет высоту 3 нм, что составляет 1/10 перепада высот исследуемого участка, то, в силу отмеченной выше особенности восприятия глазом используемой раскраски, образование и соседние с ним участки поверхности окажутся целиком окрашены одним цветом, что сделает образование трудно различимым на фоне поверхности. После вычитания из измерений рельефа поверхности общего наклона, перепад высот уменьшится в 3 раза.

2) искажения, связанные с построчным сканированием. Процесс сканирования поверхности в СТМ происходит в условиях присутствия позиционного шума пьезопривода, который проявляется в случайных отклонениях измерений рельефа в соседних строках.

3) также появляется дополнительное ограничение, связанное с тем, что зонд не находится в контакте с поверхностью. Туннельный зазор варьируется в виду ошибок работы следящей системы и упомянутого окисления поверхности образца. Это приводит к ошибкам определения модельной точки контакта иглы с поверхностью исследуемого образца.

 

6.ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ  МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ С ПОМОЩЬЮ  СТМ.

Этот метод начал использоваться в научных исследованиях сравнительно недавно, но уже сейчас области его  применения довольно разнообразны. Они  могут быть представлены следующим  образом.

1. Физика и химия поверхности на атомном уровне.

С помощью туннельной микроскопии  удалось осуществить реконструкцию  атомного строения поверхности многих материалов. СТМ позволяет получать спектр электронных состояний с  атомным разрешением и определять химический состав поверхностного слоя, распределение потенциалов при  протекании тока через образец и  др.

Визуализация атомарной  структуры различных поверхностей, находящихся в атмосфере воздуха  ограничена рядом факторов: неплоскостность поверхности на масштабах области сканирования, связанная с низким качеством полировки; насыщение поверхностных состояний молекулами и атомами из воздуха, в частности, наличие естественного оксида у большинства полупроводников. Вследствие этого, основными

поверхностями, используемыми  в туннельной зондовой микроскопии  в

качестве подложек-носителей, являются поверхности высокоориенти-

рованного пиролитического графита (ВОПГ) и тонкие пленки атомарно

гладкого золота. В результате, варьируя приложенное напряжение между зон-

дом СТМ и подложкой  важно добиться изображения как  суперпозиции верхнего и следующего за ним слоя, так и исключительно верхнего. При этом наблюдается периодичность в зависимости визуализации количества слоев от приложенного напряжения. На рисуноке 6.1 показана структура поверхности ВОПГ, полученная при двух значениях потенциала на зонде (подложка заземлена).

                                     

                    а)                                                                               б)

Рис.6.1 . СТМ-изображение поверхности ВОПГ: а – изображение суперпозиции атомов двух верхних графитовых слоев; б – изображение атомарной структуры верхнего слоя.

Однако дальнейшее повышение  напряжения, и туннельного тока может привести к необратимой модификации поверхности (рис.6. 2).

Рис. 6.2. СТМ-изображение ВОПГ после его модификации при воздействии потенциалом 4 В в течении 250 мсек. Размер кадра 0,2х0,2 мкм

 

2. Нанометрия – исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности образца. Кроме того туннельная спектроскопия позволяет определять электрические свойства изучаемых нанообъектов по их вольт-амперным характеристикам. Например применение сканирующей

туннельной спектроскопии  для определения типа проводимости нанотрубок, находящихся в одном пучке (рисунок 6.3.)

Рис. 6.3. Изображение СТМ-изображения  атомной структуры пучка углеродных нанотрубок.

3. Исследование биологических объектов. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) открыла новые возможности в исследовании клеток, бактерий, биологических молекул, ДНК. СЗМ позволяет исследовать биологические объекты без специальных фиксаторов и красителей, на воздухе, или даже в жидкой среде. Например исследование с помощью СТМ ленгмюровских (Ленгмюра-Блоджетт-ЛБ) пленок антител и ферментов на основе амфифильных полиэлектролитов (АПЭ). В результате были получены изображения адсорбированных на пирографит белковых молекул, входящих в состав пленок.(рисунок 6.4.)

Рис.6.3. СТМ- изображение молекулы антитела. а-γ-конформация; б-Т-конформация.

Также были получены и изображения  молекулы глюкозооксидазы (рисунок 6.4.)

Рис. 6.4.СТМ- изображение молекулы глюкозооксидазы.

Тем самым СТМ методика позволила  различать белковые молекулы и их конформации.

4. Запись и воспроизведение информации.

На основе СТМ, в частности, возможны запись и воспроизведение информации. При записи используют эффект локального воздействия зонда на поверхность  носителя информации. Это воздействие  может быть механическим, создающим  на поверхности искусственный рельеф в виде ямок – битов памяти. При записи информации методом электронной литографии (нанолитографии) через острие зонда пропускают кратковременно большой силы туннельный ток I_т при повышенной разности потенциалов U, происходит эмиссия электронов или ионов с острия на поверхность объекта или наоборот, и образуются на поверхности ямки или впадины, которые и несут бит информации. Плотность записи достигает до 10¹² бит/см². Для сравнения: плотность записи на современном накопителе информации, где использован магнитный эффект (магнитные диски), составляет 10⁷бит/см², при лазерном воздействии (компакт диски - CD) – до 10⁹ бит/см².

Следует отметить, что большая часть (примерно 80%) всех опубликованных работ  относится к первой группе областей применения СТМ. В последнее время  увеличивается количество публикаций относящихся к четвёртой группе.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 Одним из самых современных методов исследования свойств поверхности является метод сканирующей туннельной микроскопии. Как оказалось в дальнейшем, практически любые взаимодействия острийного зонда с поверхностью (механические, магнитные ...) могут быть преобразованы с помощью соответствующих приборов и компьютерных программ в изображение поверхности.

С каждым годом его возможности  расширяются, что, несомненно, связано  с развитием нанотехнологий,  а модель самого микроскопа модернизируется.

Кроме того существует тенденция  в совмещении сканирующих микроскопов, что позволяет улучшить количество получаемой информации об исследуемом  объекте.

Таким образом, с  момента своего изобретения СТМ широко используются учеными самых разных специальностей, охватывающих многие естественнонаучные дисциплины, начиная от фундаментальных исследований в области физики, химии, биологии и до конкретных технологических приложений. Принцип действия СТМ прост, а потенциальные возможности его велики, и невозможно предсказать его воздействие на науку и технику в ближайшем будущем.

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Российская академия наук, Институт физики микроструктур: учебное пособие.- Нижний Новгород, 2004.-114с.

2. Карташев В.В. Алгоритмическое и программное обеспечение комплексов для зондовой микроскопии: диссертация.- Москва, 2010.-122с.

 

3. Скуратович А.Г.  Электронная и туннельная микроскопия. Национальный исследовательский ядерный институт (МИФИ): реферат.- Москва, 2012.-27с.

4. Бахтизин Р.З. Сканирующая туннельная микроскопия - новый метод изучения поверхности твердых тел. Башкирский государтсвенный университет : Соросовский образовательный журнал , том 6, №11.- Уфа, 2000.- 7с.

5. Дедкова Е.Г., Чуприк А.А., Бобринецкий И.И., Неволин В.К. Приборы и методы зондовой микроскопии. Московский физико-технический университет: учебное пособие.- Москва,2011.-160с.

6. Павельев А.Б. , Курочкин  И.Н., Чернов С.Ф. Исследование  методом СТМ ленгмюровских пленок антител и ферментов, полученных на основе амфифильных электролитов. Всероссийский научный центр молекулярной диагностики и лечения.- Москва, 1998.- 7с.

 

Ссылки на источники литературы по тексту – ?

Форматирование  текста в целом

Нумерация рисунков