 |
|
Методи одержання зображень у СТМ
Експоненціальна залежність тунельного струму від відстані дозволяє здійснювати регулювання відстані між зондом і зразком у тунельному мікроскопі з дуже високою точністю. На цьому засновано принцип роботи СТМ, що являє собою електромеханічну систему з негативним зворотнім зв'язком. Система зворотного зв'язка підтримує величину тунельного струму між зондом і зразком на заданому рівні (I0), що обраний оператором. Підтримка заданої величини тунельного струму здійснюється за рахунок зміни розміру п’єзокераміки у вертикальному напрямку (а, отже, переміщення зонда мікроскопу уздовж осі Z) у відповідність із рельєфом поверхні (рис. 1.3). Зондом служить тонке металеве вістря, змонтоване на електромеханічному приводі (X, Y, Z – позиція). Коли таке вістря підводиться до ділянки досліджуваної поверхні на відстань ≤10Å, то при додатку між вістрям і зразком невеликої (від 0,01 до 10 В) напруги зсуву Vs через вакуумний проміжок ∆Z починає протікати тунельний струм порядку 10-9А.
Рисунок 1.3 – Схема організації зворотного зв'язка по тунельному струмі
Думаючи, що електронні стани (орбіталі) локалізовані на кожній атомній ділянці при скануванні поверхні зразка в напрямку X і/або Y з одночасним виміром вихідного сигналу в ланцюзі Z можна одержати картину поверхневої структури на атомному рівні. Ця структура може бути відображена у двох режимах. У режимі постійного тунельного струму (рис. 1.4(а)) зонд переміщається уздовж поверхні, здійснюючи растрове сканування; при цьому зміна напруги на Z - електроді п’єзоелемента в ланцюзі зворотного зв’язка (що з великою точністю повторює рельєф поверхні зразка) записується до пам’яті комп'ютера у вигляді функції Z = f (x,y), а потім відтворюється засобами комп'ютерної графіки.
Рисунок 1.4 – Формування СТМ зображень поверхні по методу постійного тунельного струму (а) і постійної середньої відстані (б)
При дослідженні атомарно гладких поверхонь часто більш ефективним виявляється одержання СТМ зображення поверхні в режимі постійної висоти Z = const. У цьому випадку зонд рухається над поверхнею на відстані декількох ангстрем, при цьому зміни тунельного струму реєструються в якості СТМ зображення поверхні (рис. 1.4б). Сканування проводиться або при відключеному ЗЗ, або зі швидкостями, що перевищують швидкість реакції ЗЗ, так що ЗЗ відпрацьовує тільки плавні зміни рельєфу поверхні. У цьому способі реалізуються дуже високі швидкості сканування й висока частота одержання СТМ зображень, що дозволяє вести спостереження за змінами, що відбуваються на поверхні, практично в реальному часі.
Розрізнення СТМ по нормалі до поверхні досягає часток ангстрема. Латеральне же розширення залежить від якості зонда й визначається, в основному, не макроскопічним радіусом кривизни кінчика вістря, а його атомарною структурою. При правильній підготовці зонда на його кінчику перебуває або одиночний виступаючий атом, або невеликий кластер атомів, що дозволяє локалізувати тунельний струм з розмірів поверхонь, багато менших, ніж характерний радіус кривизни вістря (рис. 1.5).
Рисунок 1.5 – Реалізація атомарного розширення в СТМ
Розмір такого виступу над поверхнею зонда становить величину порядку періоду кристалічних решіток. Оскільки залежність тунельного струму від відстані експонентна, то струм у цьому випадку тече, в основному, між поверхнею зразка й виступаючим атомом на кінчику зонда.
За допомогою таких зондів отримано просторове розширення аж до атомарного, що продемонстровано на зразках з різних матеріалів.
| |
Для неоднорідних зразків тунельний струм є не тільки функцією відстані від зонда до зразка, але й залежить від значення локальної роботи виходу електронів у даному місці поверхні. Для одержання інформації про розподіл роботи виходу застосовується метод модуляції відстані зонд - зразок ∆Z (рис.1.6). Із цією метою в процесі сканування до керуючої напруги на Z-електроді сканера додається змінна напруга із зовнішнього генератора на частоті ω. Тоді напругу на Z-електроді сканера можна представити у вигляді
Рисунок 1.6 – Схема реєстрації локальної роботи виходу
Це приводить до того, що відстань зонд - зразок також змінюється із частотою ω:
де 
й 
зв'язані між собою через коефіцієнт електромеханічного зв'язку п’єзосканера K:
Частота ω вибирається вище частоти смуги пропущення петлі зворотного зв'язка для того, щоб система зворотного зв'язка не могла відпрацьовувати дані коливання зонда. Амплітуда змінної напруги вибирається досить малою, щоб збурювання тунельного проміжку також були малими.
У свою чергу, коливання відстані зонд-зразок приводять до того, що відповідно до рівняння (4) з'являється змінна складова струму на частоті ω:
Оскільки амплітуда сигналу модуляції й відповідно амплітуда коливань тунельного проміжку малі, тунельний струм може бути представлений у вигляді
.
Таким чином, використовуючи рівняння (2), амплітуду малих коливань тунельного струму на частоті ω можна представити рівнянням
,
з якого виходить, що вона виявляється пропорційною кореню квадратному з величини локальної роботи виходу електронів з поверхні зразка. Таким чином, детектуючи амплітуду коливань тунельного струму в кожній точці кадру, можна побудувати одночасно з рельєфом Z = f(x,y) розподіл величини локальної роботи виходу φ (x,y) на досліджуваній ділянці поверхні.