Сканирующий туннельный микроскоп. Зондовая микроскопия.

Автоэлектронная эмиссия возможна не только со всей поверхности образца, но и из отдельного атома, находящегося на поверхности. При этом высокая напряженность электрического поля, необходимая для возбуждения автоэлектронной эмиссии, создается между поверхностью в точке расположения изучаемого атома и острой иглой, подведенной к этой точке. Поля, необходимые для эффективного туннелирования, достигают значений 10⁶ В/см, но используемое напряжение составляет всего 2 – 3 вольта. Это объясняется использованием очень малых расстояний между кончиком иглы и исследуемой поверхностью. Иглу можно смещать вдоль поверхности с помощью координатного столика, обеспечивающего прецизионное перемещение. Устройство такого типа получило название сканирующий туннельный микроскоп.

Величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между конкретным атомом и иглой. Поэтому сканирующий микроскоп очень избирателен и может обнаруживать отдельные атомы. Для этого необходима очень острая игла. Раньше иглы делали, медленно растягивая (до разрыва) тонкую вольфрамовую проволоку. В настоящее время в качестве иглы или щупа используют углеродные нанотрубки. Работает туннельный микроскоп только с хорошими проводниками. При этом существует ограничение на профили, которые регистрирует микроскоп: например, канавки на поверхности должна иметь ширину, превосходящую её глубину – иначе возникают паразитические сигналы от атомов, расположенных на боковой поверхности канавки. В процессе изучения поверхности образца иглу медленно передвигают с помощью устройств, обеспечивающих хорошее позиционирование. Однако воспроизводимость результатов сканирования очень сильно зависит от состояния поверхности. Для качественных измерений нужно помещать образец и иглу в высокий вакуум, причем до измерений требуется провести предварительную очистку поверхности от различных загрязнений (в том числе от отдельных атомов примесей и кластеров – групп примесей, а также от адсорбированной воды). Более того, наличие сильного электрического поля может вызвать поверхностную диффузию и дрейф примесей вслед за движущейся иглой. Известно, что перемещение иглы сопровождается смещением хвоста из налипшей «грязи». Одновременное освещение поверхности лазерным излучением, по-видимому, облегчает движение примесных атомов. Возникает эффект фотостимулированной миграции примесей, что позволяет (опять таки, в принципе) заданным образом перемещать отдельные атомы примесей по поверхности.

Очень похожее устройство имеет сканирующий атомно-силовой микроскоп. В нем не используется туннельный эффект и микроскоп не требует приложения к игле электрического напряжения (а значит такой микроскоп пригоден и для работы с диэлектриками). Острие иглы, приближаясь к поверхности, начинает испытывать молекулярно-атомные силы, вызывающие отклонение иглы. Эти отклонения возникают даже на масштабах одного атома. Отклонения регистрируются либо емкостным методом (смещение связанной с иглой пластины конденсатора), либо различными электронно-оптическими системами. Имеется много методик такой, зондовой микроскопии, которые позволяют не только изучать топологию поверхности, но и выявлять направленные химические связи, изучать магнитные свойства и т.п.

Физическая природа работы зондовых микроскопов определяется типами химических связей, как в образце, так и между иглой и образцом. В ионных кристаллах это в основном кулоновские взаимодействия, в диэлектрических образцах – спиновые, Ван-дер-ваальсовские взаимодействия или другие типы взаимодействий.