x
y
z
P P P
, каждый из которых изменяет свою длину
пропорционально приложенному напряжению
,
,
x
y
z
U U U
. При изменении любого
напряжения из
,
,
x
y
z
U U U
зонд смещается в соответствующем направлении.
Движением зонда управляет компьютерная система 5. На пьезоэлементы
,
x
y
P P
подается пилообразное напряжение, задающее сканирование в
направлениях
,
x
y
U U
и задающее сканирование зонда в направлениях
x
и
y
.
Размер скана может быть до нескольких микрометров, длительность записи
одного кадра - от 0,5 сек до нескольких минут. Зонд движется вдоль строки
(направление
x
), сначала в прямом, потом в обратном направлении. Затем
переходит на следующую строку (направление
y
). Запись информации с зонда
производится на прямом проходе.
В рабочем режиме расстояние между зондом и образцом по оси
z
контролируется системой обратной связи 6. На двигатель
z
P
подается
напряжение обратной связи
z
U
. Тогда двигатель подводит зонд к поверхности
образца на такое расстояние, при котором туннельный ток
T
J
достигает заданной
величины. Типичные значения туннельного промежутка
0,5 1
d
нм
, значения
тока
1 10
T
J
нА
,
0,1 10
T
U
B
.
Наиболее часто СТМ работает в
режиме постоянного тока
, когда
0
T
T
J
J
const
. Постоянство тока поддерживается системой обратной связи, в
которой значение
T
J
сравнивается с заданным
0
T
J
. С выхода обратной связи на
пьезодвигатель
z
P
подается напряжение
z
U
, под действием которого двигатель
поднимает зонд на выступом или опускает над впадиной, до тех пор, пока ток
не достигнет постоянного значения
0
T
J
. Схема движения зонда при
сканировании в направлении
x
показана на рис. 2.15 б.
z
- расстояние между
зондом и поверхностью (туннельный промежуток).
Формирование изображения
. Значения функции
,
z x y
для каждой пары
координат
,
x y
поступают в компьютерную систему сбора, визуализации и
117
анализа данных. Совокупность величин
,
x y
обычно представляет квадратную
матрицу состоящую из
256 256
элементов. После обработки данных по
специальным программам производится их визуализация средствами
компьютерной графики. Изображения бывают двумерными
2
D
и трехмерными
3
D
. При 2D-визуализации каждой точке поверхности ставится в соответствие
определенный цветовой фон. Выступы - светлые тона, впадины-темные тона.
Остальные точки - промежуточные тона. На рис. 2.16 вверху, представлено
первое изображение поверхности кремния с атомным разрешением, полученное
Биннингом и Рорером с помощью их СТМ.
Рис. 2.16. (а) – Двумерное изображение в туннельном микроскопе эпитаксиальной пленки
PbSe
, (б) -То же трехмерное изображение. [6]
При
3
D
- визуализации изображение поверхности
,
z x y
строится в
аксонометрической поверхности. Дополнительно моделируются условия
подсветки поверхности точечным источником, расположенным в некой точке
пространства над поверхностью.
Характеристики СТМ
. Разрешение по нормали к поверхности составляет
0, 05
нм
при изменении
z
на 0,1 нм, туннельный ток меняется на порядок. Для
острия из монокристалла вольфрама с осью
111
кончик имеет форму
пирамидки, завершающейся 1-3 атомами. Если на конце находится один атом,
СТМ дает предельное (атомное) разрешение позволяющее «видеть» отдельные
атомы. Обычно разрешение достигается 1нм.
Зонды СТМ проводящие, металлические с радиусом
10
нм
из вольфрама,
сплава иридия с платиной. Мягкие – золото. Вольфрамовые зонды получают
электрохимическим методом; или косым перерезыванием ножницами сплава
PtIr
.
118
Недостаток СТМ
. исследуются только проводящие поверхности.
Регистрируются не атомы, а распределение электронной плотности на
поверхности. Применяется для металлов, сплавов, сверхпроводников и
полупроводников.
Преимущества СТМ
. Можно исследовать магнитную топографию
поверхности на уровне отдельных спинов.
Достарыңызбен бөлісу: |