Сканирующая туннельная микроскопия

Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ, англ. Scanning Tunneling Microscopy, STM) — это метод исследования поверхности проводящих материалов, основанный на измерении туннельного тока между металлической иглой (зондом) и образцом. СТМ позволяет получать изображения поверхности с атомарным разрешением, а также манипулировать отдельными атомами. Метод был изобретён в 1981 году Гердом Биннигом и Генрихом Рорером, за что в 1986 году они были удостоены Нобелевской премии по физике.

История

Предпосылки создания

В 1970-х годах развитие методов электронной микроскопии и спектроскопии достигло предела, связанного с дифракционными ограничениями. Идея использования квантово-механического туннельного эффекта для изучения поверхности была предложена рядом учёных, но практическая реализация столкнулась с необходимостью контроля расстояния между зондом и образцом с точностью до долей нанометра.

Изобретение

В 1981 году Герд Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в лаборатории IBM в Цюрихе, создали первый прототип сканирующего туннельного микроскопа. Первое изображение, полученное на нём, было поверхностью золота. В 1983 году они продемонстрировали изображение поверхности кремния с разрешением, достаточным для визуализации отдельных атомов. В 1986 году Бинниг и Рорер получили Нобелевскую премию по физике «за создание сканирующего туннельного микроскопа».

Развитие и модификации

После изобретения СТМ началось активное развитие родственных методов, таких как атомно-силовая микроскопия (АСМ), магнитно-силовая микроскопия и другие. СТМ стал основой для нанотехнологий, позволив не только наблюдать, но и перемещать атомы. В 1990 году Дон Эйглер и Эрхард Швейцер из IBM впервые выложили название компании из атомов ксенона на поверхности никеля.

Принцип работы

Квантово-механический туннельный эффект

Основой СТМ является туннельный эффект — квантовое явление, при котором электрон может преодолеть потенциальный барьер, даже если его энергия меньше высоты барьера. В СТМ между острой металлической иглой и проводящим образцом создаётся зазор в несколько ангстрем (0,1–1 нм). При подаче небольшого напряжения (обычно от 0,01 до 10 В) между иглой и образцом возникает туннельный ток, величина которого экспоненциально зависит от расстояния между ними. Изменение расстояния на 1 ангстрем приводит к изменению тока примерно в 10 раз.

Схема микроскопа

Основные элементы СТМ:

• Зонд — металлическая игла (обычно из вольфрама или платино-иридиевого сплава) с радиусом закругления кончика в несколько нанометров.
• Пьезоэлектрический сканер — устройство, позволяющее перемещать иглу с субнанометровой точностью по трём осям (X, Y, Z) за счёт приложения напряжения к пьезокерамике.
• Система обратной связи — электронный блок, поддерживающий постоянный туннельный ток (режим постоянного тока) или постоянную высоту иглы (режим постоянной высоты).
• Детектор тока — высокочувствительный усилитель, регистрирующий токи от пикоампер до наноампер.

Режимы работы

• Режим постоянного тока: обратная связь изменяет высоту иглы так, чтобы туннельный ток оставался неизменным. Изменение напряжения на пьезосканере по оси Z записывается как рельеф поверхности.
• Режим постоянной высоты: игла сканирует на фиксированной высоте, а записывается изменение туннельного тока. Этот режим быстрее, но применим только для гладких поверхностей, чтобы избежать столкновения иглы с образцом.

Устройство и характеристики

Требования к образцам

СТМ применим только к образцам, обладающим электропроводностью (металлы, полупроводники, некоторые сверхпроводники). Диэлектрики не могут быть исследованы этим методом. Для исследования непроводящих материалов используются модификации, такие как атомно-силовая микроскопия. Образцы должны быть чистыми и иметь атомарно-гладкую поверхность; часто их готовят в условиях сверхвысокого вакуума (10⁻¹⁰–10⁻¹¹ торр).

Разрешение

СТМ обеспечивает латеральное разрешение до 0,1 нм и вертикальное разрешение до 0,01 нм, что позволяет визуализировать отдельные атомы и их расположение. Теоретический предел разрешения определяется радиусом закругления иглы и стабильностью системы.

Ограничения

• Требование вакуума: для получения атомарного разрешения часто требуется сверхвысокий вакуум, хотя существуют конструкции, работающие на воздухе или в жидкости.
• Влияние вибраций: микроскоп должен быть изолирован от внешних механических колебаний и акустического шума.
• Скорость сканирования: получение одного изображения может занимать от нескольких секунд до минут, что ограничивает наблюдение быстрых процессов.
• Артефакты: возможны искажения из-за формы иглы (например, двойные кончики), теплового дрейфа и пьезоэлектрической ползучести.

Применение

Физика поверхности

СТМ широко используется для изучения атомной структуры поверхностей, реконструкции поверхностных слоёв, адсорбции атомов и молекул. Например, с его помощью была впервые визуализирована поверхность кремния (7×7) и графита.

Нанотехнологии

СТМ позволяет не только наблюдать, но и манипулировать отдельными атомами. С помощью иглы можно перемещать атомы по поверхности, создавая наноструктуры. Это используется в исследованиях по созданию квантовых точек, нанопроводов и логических элементов на атомарном уровне.

Химия и биология

В химии СТМ применяется для изучения каталитических процессов, самоорганизации молекул и электрохимических реакций на поверхности. В биологии метод ограничен из-за требований к проводимости, но используется для исследования ДНК, белков и мембран, если их наносят на проводящую подложку.

Электроника

СТМ используется для контроля качества полупроводниковых пластин, изучения дефектов в интегральных схемах и исследования свойств графена, углеродных нанотрубок и других двумерных материалов.

Разновидности и родственные методы

Сканирующая туннельная спектроскопия (СТС)

Метод, в котором измеряется зависимость туннельного тока от напряжения при фиксированном положении иглы. Это позволяет получать информацию о локальной электронной плотности состояний образца, что важно для изучения сверхпроводников и полупроводников.

Атомно-силовая микроскопия (АСМ)

Разработана в 1986 году Биннигом, Куэтом и Гербером. В отличие от СТМ, АСМ измеряет силу взаимодействия между иглой и образцом, что позволяет исследовать как проводящие, так и непроводящие материалы.

Магнитно-силовая микроскопия (МСМ)

Использует магнитное покрытие иглы для визуализации магнитных доменов на поверхности образца.

Интересные факты

• Первое изображение, полученное на СТМ, было поверхностью золота, но оно имело низкое качество. Первое атомарное разрешение было достигнуто на кремнии.
• В 1990 году Дон Эйглер и Эрхард Швейцер выложили из 35 атомов ксенона на поверхности никеля слово «IBM», что стало первой демонстрацией атомарной манипуляции.
• СТМ используется для изучения сверхпроводников, в частности, для визуализации вихрей Абрикосова в сверхпроводниках второго рода.

Источники

• Бинниг Г., Рорер Г. Сканирующий туннельный микроскоп // Успехи физических наук. — 1987. — Т. 152, № 3. — С. 477–492.
• Chen C. J. Introduction to Scanning Tunneling Microscopy. — Oxford University Press, 2008.
• Wiesendanger R. Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy: Methods and Applications. — Cambridge University Press, 1994.
• Эйглер Д., Швейцер Э. Манипулирование отдельными атомами // Nature. — 1990. — Vol. 344. — P. 524–526.