Физические основы туннельной микроскопии

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM – scanning tunneling microscope) – вариант сканирующего зондового микроскопа, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем. При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения тока 1 – 1000 пА при расстояниях около 1 Å. Сканирующий туннельный микроскоп первый из класса сканирующих зондовых микроскопов. Атомно-силовой и сканирующий ближнепольный оптический микроскопы были разработаны позднее.

Принцип работы СТМ основан на реализации туннельного эффекта. Туннельный эффект заключается в просачивании частиц (электронов, a - частиц) сквозь потенциальный барьер и обусловлен их волновыми свойствами. Зондом для исследования поверхности образца является тонкая игла, смонтированная на электромеханическом приводе. Когда острие иглы подводится к поверхности образца на расстояние < 10Å, то при приложении между острием и образцом небольшого (от 0, 01 до 10 В) напряжения смещения электроны могут туннелировать через вакуумный промежуток. При этом начинает протекать туннельный ток I_т порядка 10^-9 А (рис. 57). Очевидно, что игла и образец должны быть токопроводящими. Сила такого туннельного тока зависит от величины и ширины потенциального барьера, а также, для низких напряжений является функцией локальной плотности состояний на уровне Ферми образца.

Между силой туннельного тока и шириной туннельного промежутка существует чрезвычайно сильная экспоненциальная зависимость:

I_т » u exp (-A Ф ^1/2 D d),

Рис. 57. Протекание тока через туннельный промежуток

где u – напряжение; А – коэффициент пропорциональности; Ф – величина потенциального барьера в зазоре; D d – зазор между зондом и поверхностью. Туннельный ток изменяется приблизительно на порядок при изменении расстояния на 1 Ǻ.

Такая зависимость I_т (D d) обеспечивает экстремально высокое разрешение СТМ по вертикали. Так, если ток поддерживается постоянным с точностью 2%, то промежуток остается неизменным с точностью около 0, 01Å. Горизонтальное разрешение СТМ определяется тем, что до 90% туннельного тока протекает через промежуток между «последним» атомом иглы и ближайшим к нему атомом поверхности. При правильной подготовке зонда его острие оканчивается единичным атомом, либо небольшим кластером атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Атом, выступающий над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстоянии, равном величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда. В этом случае СТМ может различить атомы поверхности, находящиеся на расстоянием ~2Å друг от друга, т.е. разрешение уменьшается до атомных размеров.

Изображение, полученное в СТМ, представляет собой распределение туннельного тока, измеренного в различных точках исследуемой поверхности.