лекция02 сзм(1)

Принцип работы СТМ

План лекции

СТМ изображение донора и вакансии на поверхности GaAs

Изображения реконструкции поверхности

Низкотоковая туннельная микроскопия: молекула полипропилена

Нобелевские премии за туннельный эффект

Инвар Гиавер в МГУ имени М.В.Ломоносова

Физика туннельного перехода

Приближенное выражение для туннельного тока

Режим постоянного туннельного тока

Первые СТМ изображения реконструкции поверхности Si 7x7

Шумы туннельного тока

Рекомендуемая литература

Донор и вакансия на поверхности GaAs

Сколотая в сверхвысоком вакууме поверхность GaAs (110)с находящимся на поверхности донорным атомом кремния Si (светлая область) и вакансии Ga (темная область). Размер кадра 17.3 x 17.7 нм. Изображение получено в сверхвысоком вакууме на туннельном микроскопе.

Image courtesy of JF Zheng, F. Ogletree, E. Weber and M. Salmeron, Lawrence Berkeley Labhttp://www.rhk-tech.com/results/GaAs.php

STM image of yttrium nanowires grown on Si(100). Image was taken at 10 K Sample bias: 2.0 V Tunneling current: 0.18 nA Scan size: 140 nm x 140 nm

Tae-Hwan Kim, An-Ping Li and John Wendelken Center for Nanophase Materials Sciences, Oak Ridge National Laboratory

http://www.rhk-tech.com/results/showcase.php

Low Current - 22pA UHV STM of polypropylene

UHV 300 STM image of a polypropylene molecule on graphite acquired at 22 pA.Courtesy R. Czerw & D. Carroll, Clemson University

http://www.rhk-tech.com/results/polyprop.php

Low Current Imaging of SAMsUHV 300 STM image of decanethiol on Au(111) after annealing for 10 hours at 55 C. Defects

removed by heating. C(4X2) domains as large as 80nm x 80nm. Image taken at 30 pA.

Courtesy of G.Y. Liu & Y. Qian, Wayne State Universityhttp://www.rhk-tech.com/results/30pA_SAMs.php

Нобелевские премии за туннельный эффект

Лауреатами нобелевской премии по физике стали

В 1973 году:

Лео Есаки – за открытие явления туннелирования в твердых телахАйвар Гиавер – за экспериментальное исследование явления туннелирования в полупроводниках и сверхпроводникахБрайан Джозефсон – за теоретические исследования по сверхпроводимости и туннелированию, в частности, – за открытие эффекта, получившего название эффект Джозефсона

В 1986 году:Герд Бинниг ИХайнрих Рорер – за изобретение сканирующего туннельного микроскопа

www.nanoscopy.org

2011 – Пятая международная конференция «Современные достижения бионаноскопии»

Айвар Гиавер в МГУ имени М.В.Ломоносова

Физика туннельного перехода

При большом зазоре между проводниками (рис. слева) электрический ток равен 0, при контакте проводников в цепи возникает электрический ток

(например, величиной в 1А).Вопрос: До какого расстояния надо сблизить два проводника, чтобы в

зазоре появился электрический ток величиной в 1 нА?

Подсказка: 1 нА – типичная величина туннельного тока, измеряемая в сканирующем зондовом микроскопе.

Физика туннельного перехода

Туннелирование – прохождение через потенциальный барьер. В туннельном микроскопе барьер преодолевают электроны.

Вероятность туннелирования тигра через каменную стену настолько мала, что мы этого никогда не увидим.

Физика туннельного перехода

Общий вид механической системы микроскопа конструкции Г.Биннига и Х.Рорера.

Игла Т расположена на трехкоординатный пьезоманипулятор с тремя направляющими XYZ. Для осуществления начального сближения с иглой Т образец S установлен на «трехножке» –

манипуляторе L, обеспечивающим перемещение образца.С целью виброизоляции механика микроскопа подвешена на

мягких пружинах P.

Физика туннельного перехода

Когда в вершине иглы один атом,

туннелирование в основном происходит

через этот атом

Игла неправильной формы – обычно один из

атомов находится к поверхности чуть ближе,

чем все остальные. Туннелирование

электронов происходит через этот атом

Иглы (зонды) для сканирующего туннельного микроскопа

Материал иглы Метод приготовления Преимущества Недостатки

Вольфрам Электрохимическое травление в щелочи KOH

Определенная форма острия

Окисление на воздухе и выход из строя

Сплав Pt80Ir20 Механический срез Легкий способ изготовленияВысокая микро-твердостьИнертность

Неконтролируемая форма острияХранится на воздухе

Приближенное выражение для туннельного тока

Физика туннельного перехода

Положительное напряжение на игле:

Электроны из заполненных электронных состояний образца туннелируют в незаполненные электронные состояния иглы.

Отрицательное напряжение на игле:

Электроны из заполненных электронных состояний иглы

туннелируют в незаполненные электронные состояния образца.

При туннелировании энергия электронов не изменяется (упругое туннелирование).

Режим постоянного туннельного тока

Из нобелевской лекции Г.Биннига и Х.Рорера

Режим постоянного туннельного тока

Из нобелевской лекции Г.Биннига и Х.Рорера

Реконструкция поверхности на поверхности кремния Si 7х7

а - Изображение собрано из кривых, полученных непосредственно в эксперименте на самописцеб - обработанное изображение реконструкции поверхности кремния Si 7х7. Угловые впадины и двенадцать максимумов (адатомов) характерны для ромбоэдрической элементарной ячейки на поверхности кристалла.

Image Spectroscopy on Si(111) 7x7UHV 300 STM image of Si(111) 7 x 7.

The Image was acquired in Image Spectroscopy mode, where the tip bias was ramped from -1.27 V to -3.27 V.

The image was acquired at RHK

Режим постоянной высоты

В режиме постоянной высоты игла двигается в заданной плоскости над поверхностью образца

Для обеспечения этого режима:

отключается цепь обратной связи полностьюили

звенья обратной связи (пропорциональное, интегральное, дифференциальное) выбираются вблизи нулевых значений

Преимущества:более быстрые измерения

обратная связь не вносит свои погрешности

Недостатки:Реально удается наблюдать участки небольшого размера - до 10-100 нм.Возможность повредить зонд при соударении с поверхностью образца

Типичные параметры измерений с помощью СТМ

Величина туннельного тока – 1 нАНапряжение на туннельном переходе – 20 мВРазмер области сканирования – не более 1х1 мкм2

Частота строчной развертки – 1 Гц Количество точек в кадре – 512х512Время получения одного кадра – 51,2 сек

Диапазон для возможного выбора параметровВеличина туннельного тока 0,01 пА – 100 нАВеличина туннельного напряжение 1 мВ – 10 В(при напряжениях более 1-2 В может происходить модификация поверхности – литография)Количество точек в кадре 128х128 …. 4096х4096 и болееВремя получения одного кадра – 0,1 сек …. 1 час

Подготовка образца к измерениям

Визуальный осмотр:Образец с чистой зеркальной поверхностью подходитОбразец с матовой поверхностью скорее не будет виден

Образец должен быть размещен в держателе так, чтобы был электрический контакт с рабочей поверхностью держателя.

Образец закрепляется с помощью:Проводящего клеяПроводящего скотчаМеханического электропроводящего прижима

Образец должен иметь:Подробное описание в письменном видеУникальное имя, которое будет также использовано для обозначения файлов изображений

Типичные параметры измерений с помощью СТМ

Наименование образца Величина туннельного тока

Величина напряжения на

переходе

Пиролитический графит 1 нА 10-50 мВ

Золото 0,1 - 1 нА около 100 мВ

Серебро 0,1 - 1 нА около 100 мВ

Титан, оксид титана 1 нА 1-2 В

Правила работы с СТМ иглой (зондом)

1.Использовать чистые ножницы для механического среза Pt80Ir20 проволоки2.Брать иглу пинцетом, не трогать руками3.Осуществить контроль острия в оптический микроскоп4.Устанавливать иглу c защитой от электростатики

Режимы подвода

Различные режимы подвода используются для начального сближения иглы и образца

Стандартный режим подвода:Шаговый двигатель будет осуществлять подвод до тех пор, пока микроскоп не зарегистрирует появление туннельного тока величиной в 30% от установленного опорного значения. При появлении туннельного тока срабатывает обратная связь, которая перемещает образец на нужное расстояние с тем, чтобы туннельный ток достиг величины опорного значения.

Деликатный режим подвода:Этот режим обеспечивает высокую сохранность острия и образца, минимизирует вероятность их повреждения при подводе.Перед каждым шагом шагового двигателя – игла отводится пьезоманипулятором на максимальной удаление

Проблемы при сканировании

Сильно зашумленные изображения могут получаться по следующим причинам:

- неудачно приготовленная или загрязненная игла- поверхность образца имеет загрязнения- образец не годится для туннельной микроскопии

(непроводящие участки, диэлектрические пленки и пр.)- неправильно выбраны туннельный ток и напряжение на

переходе- слишком большая скорость- большие значения пропорционального и интегрального

звеньев

Настройка цепи обратной связи

Настройка цепи обратной связи осуществляется с помощью регулировки:

Пропорционального звена ПИнтегрального звена ИДифференциального звена Д

(ПИД регулятор).

Советы по настройке:Увеличиваем интегральное звено до появления начальных дополнительных шумов, уменьшаем на 30% (Д=0)Увеличиваем пропорциональное звено до появления высокочастотного шума, уменьшаем на 30%Дифференциальное звено следует использовать при наличии общего наклона образца. При плоской горизонтальной поверхности Д ~ 0.

Измерение зависимости туннельного тока от расстояния I(Z)

В теоретическом описании туннельного эффекта предполагается экспоненциальная зависимость тока от расстояния. На практике эта зависимость может сильно отличаться от предсказаний простых теоретических моделей.

Измерение и анализ зависимости I(Z) - весьма полезное и информативное занятие.

При выборе параметров I(Z) разумно придерживаться следующих соображений:

- не следует задавать большой диапазон перемещений. Во многих случаях достаточно выбрать диапазон в несколько нанометров

Измерение зависимости туннельного тока от напряжения на переходе I(U)

Измерение вольт-амперных характеристик столь же полезное занятие, как и определение зависимости тока от расстояния между иглой и образцом. Рациональная интерпретация зависимостей I(U), снятых на воздухе, может быть неконтролируемым образом осложнена наличием адсорбционных пленок на образце и игле. Вместе с тем, нестабильность I(U)может служить косвенным свидетельством нарушением чистоты исследуемой поверхности.

Измерение I(U) может применяться и для не прямых целей, а именно, для очистки иглы. Процедура очистки иглы выполняется следующим образом. Образец отводится от иглы на расстояние 100-500 нм, после чего проводится измерение I(U) в диапазоне значений от (-9...-3) В до (+3...+9) В. Электродесорбция, обусловленная высокой напряженностью электрического поля, может приводить к очистке острия.

Шумы туннельного тока

Шумы туннельного тока

Спектральная плотность шума туннельного тока. Измерения на выходе цепи обратной связи.

На низких частотах происходит существенное увеличение общего шума туннельного тока из-за наличия избыточного 1/f

шума.

F. Bordoni, V.I. Panov, S.V. Savinov, A.V. Stepanov, I.V. Yaminsky. Low frequency noise in scanning tunneling microscopy measurements, AIP Conference Proceedings 285, Noise in Physical Systems and 1/f Noise fluctuations, St.Louis, 1993, p. 487-490

СТМ изображение в режиме постоянного туннельного тока поверхности кристалла GaAs (110) при температуре 4,7 К. Поверхность высокодопирована атомами Zn, выступающими в качестве акцепторов. Акцепторы приводят к появлению холмов треугольной формы, которые на рисунке имеют красно-желтую окраску. Атомы галлия (от светло голубого до желтого) и мышьяка (темно синие) наблюдаются одновременно при следующих параметрах: U= 1,6 В, I = 80 пА.Поверхностные акцепторные состояния с несферической симметрией.G. Mahieu, B. Grandidier, D. Deresmes, J. P. Nys, D. Stievenard, and Ph. Ebert. PRL 94, 026407 (2005)

Пример манипулирования с атомами в низкотемпературном СТМ – 42 атома серебра размещены на поверхности кристалла серебра Ag(111) при температуре 4,8 К, напряжение U=-20 мВ, I=10 нА. Перемещение атомов осуществлено при U=-10 мВ, I=300 нА. Была достигнута практически 100% эффективность по перемещению атомов при этих параметрах.http://www.omicron.de/en/products/low-temperature-spm/instrument-conceptИзмерения A. Bettac, Omicron NanoTechnology, Germany.

Сканирующая туннельная микроскопия решетки нанопроволок Pt на поверхности Ge(001). Обратите внимание, что происходит удвоение периодичности в направлении оси Pt проволок. Расстояние между соседними напрпроводами 1.6 нм. Туннельное напряжение -1,35 В, туннельный ток 0,54 на.

N. Oncel, A. van Houselt, J. Huijben, A.Hallbäck, O. Gurlu, H. J.W. Zandvliet, and B. Poelsema. PRL 95, 116801 (2005)http://www.omicron.de/en/products/low-temperature-spm/instrument-concept

Сканирующий туннельный микроскоп для работы при Т<5ККомпания Омикрон (Германия).

Достоинства и преимущества сканирующей туннельной микроскопии

1. Истинно атомное разрешение поверхности образцов.2. Наблюдение атомной структуры в вакууме, на воздухе и в

жидкостях3. Осуществление манипуляций с отдельными атомами и

перемещений атомов4. Родоначальник обширного семейства сканирующих зондовых

микроскопов.5. Наличие как простых СТМ, так и сложных нанотехнологических

комбайнов в сочетании с СТМ.

Успешное развитие сканирующей туннельной микроскопии фактически привело к реальному появлению на свет нанотехнологий.

В первоначальном смысле полагалось, что нанотехнологии будут работать методами атомной сборки:

на входе: атомы и молекулы на выходе: сложные устройства, как правило, нанометрового

масштаба.

Поверхности, наблюдаемые в СТМ

На воздухе в СТМ видныграфитзолото, серебро и другие благородные металлылипиды на графитеалканы на графитесильно легированный свежеприготовленный кремний…

На воздухе в СТМ не видны или практически не видныалюминий и многие металлы с оксидной пленкойчистый и слаболегированный кремнийдиэлектрики…

В высоком вакууме виднызолото, серебро и все металлыкремний, германий и др. полупроводникиграфитлипиды на графитеалканы на графите…

Недостатки сканирующей туннельной микроскопии

1. Наблюдение только проводящих образцов.

2. Наличие диэлектрического включения на поверхности образца может приводить к выходу зонда.

3. Изучение только свойств поверхности

4. Невозможность изучения структуры и свойства в объеме образцов

5. Наличие механического сканирования приводит к относительно большим временам измерений

Сканирующий туннельный микроскоп

Три составляющие части сканирующего туннельного микроскопа

I. Механическая системаII. Электронная система управленияIII. Программное обеспечение для управления микроскопом

Дополнительные аксессуары

I. Игла (зонд)II. Программное обеспечение для анализа экспериментальных данных

Сканирующий туннельный микроскоп

Три составляющие части сканирующего туннельного микроскопа

I. Механическая системаII. Электронная система управленияIII. Программное обеспечение для управления микроскопом

Дополнительные аксессуары

I. Игла (зонд)II. Программное обеспечение для анализа экспериментальных данных

Сканирующий туннельный микроскоп

Три составляющие части сканирующего туннельного микроскопа

I. Механическая системаII. Электронная система управленияIII. Программное обеспечение для управления микроскопом

Дополнительные аксессуары

I. Игла (зонд)II. Программное обеспечение для анализа экспериментальных данных

Литература для дополнительного чтения

1. Бинниг Г., Рорер Г. Сканирующая туннельная микроскопия – от рождения к юности. Успехи физических наук. 1988, 154, 261-278.

http://ufn.ru/ru/articles/1988/2/d/

2 И. Яминский. Закон Ома для разомкнутой цепи и ... туннельный микроскоп. Квант, 5, 10-13 (1999).

3 F. Bordoni, V.I. Panov, S.V. Savinov, A.V. Stepanov, I.V. Yaminsky. Low frequency noise in scanning tunneling microscopy measurements, AIP Conference Proceedings 285, Noise in Physical Systems and 1/f Noise fluctuations, St.Louis, 1993, p. 487-490.