Учебный материал к практическому занятию

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) – один из важнейших современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением.

Создано целое семейство сканирующих зондовых микроскопов – приборов, в которых исследуемая поверхность сканируется специальной иглой-зондом, а результат регистрируется в виде туннельного тока (туннельный микроскоп), механического отклонения микрозеркала (атомно-силовой микроскоп), локального магнитного поля (магнитный силовой микроскоп), электростатического поля (электростатический силовой микроскоп) и др. Являясь не только измерительными приборами, но и инструментами, с помощью которых можно формировать и исследовать наноструктуры, зондовые микроскопы призваны стать базовыми физическими метрологическими инструментами XXI века.

Внешний вид сканирующего туннельного микроскопа-анализатора «Stereoscan 360» производства фирмы «Cambridge Instrument» представлен на рис. 3.1, а типовая схема осуществления СЗМ — на рис. 3.2.

В сканирующем туннельном микроскопе роль оптического устройства играет тончайшее металлическое (как правило, вольфрамовое) острие, или зонд, кончик которого может представлять собой один-единственный атом и иметь размер в поперечнике около 0,2 нм. Пространственные пьезоэлектрические устройства (датчики) прибора имеют возможность устанавливать зонд на расстоянии 1-2 нм от исследуемой поверхности электропроводящего объекта. В процессе сканирования игла движется вдоль образца. Когда зонд сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) оказывается на расстоянии от поверхности около 10 Å, равном размеру нескольких атомов (υ0,5-1 нм), между зондом и образцом устанавливается рабочее напряжение, и электронные облака на конце зонда и ближайшего к нему атома объекта перекрываются.

В результате электроны начинают «перескакивать» через зазор. Другими словами, электрический ток из образца начинает проходить через промежуток в иглу или наоборот – в зависимости от знака напряжения, хотя непосредственного контакта между зондом и поверхностью в привычном понимании нет. Нормальные значения этого тока находятся в пределах 1-1000 пА при расстояниях около 1Å от поверхности образца. Величина этого тока чрезвычайно чувствительна к размеру зазора и обычно уменьшается в 10 раз при увеличении зазора на 0,1 нм. Электрический ток протекает благодаря так называемому «туннельному эффекту», из-за которого получил свое название и микроскоп. Как уже отмечалось, феномен заключается в том, что электрон может преодолеть энергетический (т. е. потенциальный) барьер, образованный разрывом электрической цепи – небольшим промежутком между зондирующим микроострием и поверхностью образца, даже не обладая достаточной энергией, т. е. он «туннелирует» сквозь эту преграду (рис. 3.3).

Возникающий в результате «туннельный ток» изменяется в зависимости от зазора между зондом и образцом по экспоненциальному виду. Сила туннельного тока поддерживается стабильной за счет действия обратной связи, и удлинение следящей системы меняется в зависимости от топографии. Сила протекающего тока измеряется регистрирующим устройством, что позволяет оценить расстояние между зондом и поверхностью образца (ширину туннельного перехода), сканирование которого производится последовательно атом за атомом, что дает высокоточную картину поверхности исследуемого материала.

По изменениям напряжения на зонде компьютер строит трехмерное изображение поверхности. При этом разрешающая способность микроскопа достигает атомного уровня, т. е. могут быть видны отдельные атомы, размер которых составляет 0,2 нм.

Практическое задание – 1.2

по дисциплине “Наноматериалы”