-сурет. Электрондық микроскоптық сурет және графит бөлшектерінің электроннограммасы [11]

2.1.1. Сканирлеуші туннельді микроскопия Сканирлеуші туннельді микроскопты (СТМ) ІВМ фирмасының Цюрих бөлімшесінде жұмыс істейтін Г. Биннинг пен Г. Рорер 1982 жылы ойлап тапқан болатын. 1986 жылы Г. Биннинг пен Г. Рорер зондты ангстрем үлесіндегі кадаммен қозғалтатын пьезокозғалтқышты жасағандары үшін Нобель сыйлығына ие болды. СТМ-ның, оның артынан атомдық-күштік микроскоптың және де сканирлеуші зондтық микроскоптардың басқа модификацияларының пайда болуы наноәлемді зерттеуге маңызды кадам жасауға мүмкіндік берді. Зондтық микроскоптардың қазіргі әдістері арқылы беттің рельефі, құрамы мен кұрылысын тексеруге болады. Соңғы он жылдықта зондық микроскопты пайдалану физика, химия және биологияның әртүрлі аймақтарында танымды кеңейтуге мүмкіндік тудырып отыр. Сканирлеуші зондты микроскоптардың барлығының негізі зондтың зерттеліп отырған бетпен озара әсерлесуі болып табылады. Сканирлеуші туннельді микроскопта пьезокозғалтқыш атомдықөткір металды инені үлгінің өткізгіш бетіне жақындатады (2.4-сурет). Ине мен үлгі бетінің арасына вольттың ондық үлесінен бастап бірге дейін кернеу қойылады. Туннелді токтың ағуы ине мен үлгі атомдарының арасындағы қашыктық |І нм шамасында болғанда басталады. Туннельді тоқтың табиғаты квантты, ал оның шамасы үлгі бетімен ине арасындағы қашықтықтан тәуелді: егер ине мен үлгі бетінің арасындағы кернеу І В шамасында болса және зондтың бетке жақындалуы 1,5-нан 0,8 нм-ге дейін болса, онда ток 1 пикоамперден ондаған наноамперге дейін өзгереді.

V кернеу берген кезде I туннельді ток шамасының ϭ қашықтықтан тәуелділігін келесі формула арқылы бағалауға болады:

мұндағы с және К - үлгі мен иненің материалынан аз ғана тәуелді тұрақты деп есептеуге болатын шамалар, с≈2,1:10¹⁰м^-1, Келтірілген формула туннельді ток шамасына әсер ететін, елеулі фактор санымен байланысты жуықталған сипатқа ие. Мысалы, зондтың формасы, беттік ақаулар, беттегі адсорбцияланған молекулалардың қабығының қалыңдығы (мысалы, судың қабығы) және т.б. Бірақ бұл тәуелділік вакуумда жүргізілетін тәжірибелермен дәлелденген. Осыған ұқсас өрнекке әртүрлі потенциалы бар, үш аймақтың есебіне арналған Шредингер теңдеуін шеше отырып келуге болады.

Потенциалдық тосқауыл арқылы өту коэффициентін тосқауылдан өткен бөлшектердің ықтималдылық ағын тығыздығының тосқауылға түскен бөлшектер ықтималдылық ағын тығыздығына қатынасы арқылы өрнектеуге болады. Түскен толқынның амплитудасы бірге тең деп қабылданғандықтан, ал түскен және өткен толқындардың толқындық векторлары сәйкес келетіндіктен, қарастырылып отырған жағдайда, бұл катынас тосқауыл сыртындағы толқындық функцияның модулінің квадратына тең болады. Шредингер теңдеуін шеше отырып, келесі формуланы алуға болады:

мұндағы а, b - үлгі беті және зонд кординаталары (а- b=d),U–металл сыртындағы электронның потенциалдық энергиясы, Е_k - металл ішіндегі электронның энергиясы. Бұдан,

U=E_F+ϕ(x), (2.2)

мұндағы j(х) - потенциалды тосқауылдың биіктігі,

мұндағы ϕ̅(х) - потенциалды тосқауылдың орташа биіктігі, ал В - берілген материал тұрақтысы.

Ағып өтетін туннельді токтың шамасын келесі теңдеумен көрсетуге болады: (2.5)

мұндағы N, N, - тура және кері бағытта, потенциалды тосқауыл арқылы туннельденетін бөлшектер саны. Онда V потенциалын беретін болсақ,

мұндағы А - үлгі беті мен зонд материалын сипаттайтын тұрақты шама. Сканирлеуші туннельді микроскоп үшін жуықтауда,ϕ>>1Ev=>

мұндағы I`₀; және I₀, - ине мен үлгі материалының қасиетіне тәуелді коэффициенттер. Бұл формуланы үлгі беті мен ине арасындағы арақашықтықтан туннельдік токтың шамасынан және саңылауға берілген кернеу шамасынан эмпирикалық жолмен ертеде табылған тәуелділігі арқылы мына қатынасқа келтіру оңай І≈КVе^ed.

Берілген шамадағы туннельдік тоқтың ағып өтуіне сәйкес келетін биіктікте зондты өз кезегінде позиционирлейтін, туннельді тоқ күшейткіш пен аналогты-сандық түрлендіргіш көмегімен компьютерге тіркеледі. Металл және жартылайөткізгіш үлгілер үшін тоқтың мәндері бірнеше наноампер шегінде және органикалық қабықтар үшін 1-100 пикоампер аралығында таңдалады (үлгі құрамының өзгерісін болдырмау үшін). Стандартты сканирлеуші туннельдікмикроскоптың сканирлеу қадамы ондық үлестегі ангстремге дейін жетуі мүмкін. Иненің үлгі бетімен әрекеттесуін жою үшін немесе туннельдік тоқтың (--10 ангстрем) жүріп өту аймағынан алшақтауы үшін кері байланыс жүйесін колданады. Бұл жүйе әрдайым туннельдік тоқты тіркеп отырады, сонымен қатар сканирлеудің әр нүктесінде туннельдік тоқтың берілген шамасымен сәйкес зондтың тежеліп қалу биіктігін қалпына келтіреді. Бұл кезде зонд үлгі бетінен бірдей қашықтықта тұрады, бұл үлгі бетіндегі электрондық тығыздықтың таралуын орнатуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, зонд траекториясы үлгі бетінің рельефін сипаттайды.

СТМ әдісі жұқа қабықшаларды, кванттық нүктелерді, көміртекті нанотүтікшелерді және т.б. заттарды зерттеу кезінде кең қолданылады. Туннельдік микроскоппен жеке атомдардың орнын ауыстыруға, сонымен катар күрделі квантты кұрылымдарды құруға кол жеткізуге болады. Вакуумды СТМ әдісінің дамуы монокристалдардың бетінің, ЛэнгмюрБлоджеттің қабықшаларының, өздігінен жиналатын монокабаттардың атомдык құрылысын (2.5-сурет) анықтауға мүмкіндік берді. Ал, спинполяризациялық туннельді микроскопия жеке атомдардың магниттік моменттерінің бағыттарын бақылауға мүмкіндік туғызды.