Сканирующий туннельный микроскоп

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. Scanning Tunneling Microscope, STM) — это прибор, предназначенный для визуализации поверхности проводящих материалов с атомарным разрешением. Принцип действия СТМ основан на явлении квантового туннелирования электронов между острой металлической иглой (зондом) и исследуемым образцом при их сближении на расстояние порядка долей нанометра. СТМ относится к классу сканирующих зондовых микроскопов и позволяет получать трёхмерное изображение рельефа поверхности, а также изучать локальные электронные свойства материалов.

История создания

Сканирующий туннельный микроскоп был изобретён в 1981 году в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе (Швейцария) физиками Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. За это изобретение в 1986 году они были удостоены Нобелевской премии по физике (половина премии; вторую половину получил Эрнст Руска за создание электронного микроскопа). Первая успешная демонстрация СТМ состоялась на образце золота, где удалось визуализировать отдельные атомы. В 1985 году Бинниг и Рорер совместно с Кельвином Куэйтом и Кристофом Гербером создали первую версию атомно-силового микроскопа (АСМ), который стал развитием идей СТМ для непроводящих образцов.

В СССР первые работы по созданию СТМ начались в середине 1980-х годов в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН (г. Черноголовка) и в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе. В 1987 году советские учёные под руководством В. И. Панова и В. В. Костина представили действующий прототип СТМ.

Принцип работы

Квантовое туннелирование

Основой работы СТМ является туннельный эффект — квантово-механическое явление, при котором электрон может преодолеть потенциальный барьер, даже если его энергия меньше высоты барьера. В СТМ между зондом и образцом создаётся зазор в несколько ангстрем (0,1–1 нм). При подаче небольшого напряжения (обычно от 10 мВ до 2 В) между зондом и образцом возникает туннельный ток, величина которого экспоненциально зависит от расстояния между ними:

\[ I \propto e^{-2 \kappa d} \]

где \( \kappa \) — постоянная затухания, зависящая от работы выхода материала, а \( d \) — расстояние между зондом и образцом. Эта экспоненциальная зависимость обеспечивает чрезвычайно высокую чувствительность к изменению расстояния: изменение \( d \) на 0,1 нм может изменить ток на порядок.

Режимы работы

Существуют два основных режима работы СТМ:

• Режим постоянного тока (constant current mode): система обратной связи поддерживает туннельный ток на заданном уровне, изменяя высоту зонда над поверхностью. Перемещение зонда по оси Z записывается как функция координат X и Y, формируя топографическое изображение.
• Режим постоянной высоты (constant height mode): зонд сканирует поверхность на фиксированной высоте, а регистрируется изменение туннельного тока. Этот режим быстрее, но применим только для гладких поверхностей, чтобы избежать столкновения зонда с образцом.

Пьезоэлектрические приводы

Для позиционирования зонда с субнанометровой точностью в СТМ используются пьезоэлектрические керамические элементы (например, из цирконата-титаната свинца). При подаче напряжения на такой элемент он изменяет свои размеры на доли нанометра. Трёхкоординатный пьезосканер (X, Y, Z) позволяет перемещать зонд или образец с высокой точностью. Современные СТМ используют трубчатые или составные пьезосканеры, обеспечивающие диапазон сканирования от нескольких микрометров до сотен микрометров.

Устройство и основные компоненты

Типичный сканирующий туннельный микроскоп состоит из следующих ключевых узлов:

1. Зонд (игла): изготавливается из металлов (вольфрам, платина-иридий, золото) или легированного кремния. Остриё зонда должно быть максимально острым — радиус закругления менее 10 нм. Для получения атомарного разрешения на конце иглы должен находиться один или несколько атомов.
2. Пьезосканер: обеспечивает прецизионное перемещение зонда в трёх направлениях.
3. Система виброизоляции: СТМ чрезвычайно чувствителен к вибрациям, поэтому прибор устанавливается на массивные пружинные или пневматические подвесы, а также на магнитные демпферы.
4. Электроника обратной связи: управляет напряжением на пьезосканере для поддержания заданного туннельного тока.
5. Компьютерная система: управляет сканированием, обрабатывает данные и строит изображение.
6. Вакуумная камера (опционально): для работы в сверхвысоком вакууме (СВВ) с целью исключения загрязнения поверхности образца.

Разрешающая способность

СТМ обеспечивает латеральное разрешение (в плоскости XY) до 0,1 нм, что позволяет различать отдельные атомы. Вертикальное разрешение (по оси Z) достигает 0,01 нм, что даёт возможность измерять атомные ступеньки и монослойные террасы. Теоретический предел разрешения определяется диаметром зонда и экспоненциальной зависимостью туннельного тока, но на практике ограничивается вибрациями, тепловым дрейфом и качеством острия.

Применение

Физика поверхности

СТМ является основным инструментом для исследования атомной структуры поверхностей твёрдых тел. С его помощью изучают:

• реконструкцию поверхностей (например, Si(111)-7×7);
• адсорбцию атомов и молекул;
• рост тонких плёнок и эпитаксиальных слоёв;
• дефекты кристаллической решётки.

Нанотехнологии

СТМ используется для манипуляции отдельными атомами и молекулами. В 1990 году сотрудники IBM Дон Эйглер и Эрхард Швейцер выложили слово «IBM» из 35 атомов ксенона на поверхности никеля, что стало первой демонстрацией атомарной манипуляции. Впоследствии СТМ применяли для создания наноструктур, таких как квантовые точки, атомные провода и молекулярные переключатели.

Электроника и материаловедение

СТМ позволяет измерять локальную плотность электронных состояний (LDOS) с помощью спектроскопии туннельного тока (STS). Это даёт информацию о зонной структуре, поверхностных состояниях и сверхпроводимости. Прибор используется для исследования графена, углеродных нанотрубок, топологических изоляторов и других низкоразмерных материалов.

Биология и химия

Хотя СТМ требует проводящих образцов, существуют методы нанесения тонких проводящих покрытий на биологические объекты (например, ДНК, белки). Однако в биологии чаще применяется атомно-силовой микроскоп, не требующий проводимости.

Ограничения и недостатки

• Требование проводимости: образец должен быть электропроводящим или иметь проводящее покрытие, что ограничивает применение для диэлектриков и биологических объектов.
• Чувствительность к вибрациям и температуре: тепловой дрейф и внешние помехи могут искажать изображение.
• Медленная скорость сканирования: получение одного изображения с атомарным разрешением может занимать от нескольких минут до часов.
• Влияние зонда: форма и состояние острия иглы напрямую влияют на качество изображения; возможны артефакты, связанные с двойными или тупыми остриями.
• Ограниченный диапазон сканирования: типичные пьезосканеры обеспечивают перемещение на десятки микрометров, что не позволяет изучать большие участки поверхности.

Разновидности и модификации

• Сканирующий туннельный микроскоп с переменной температурой: позволяет проводить измерения при температурах от гелиевых (4 К) до комнатных и выше.
• Сканирующий туннельный микроскоп с магнитным зондом: используется для изучения магнитных свойств поверхности (спин-поляризованный СТМ).
• Сканирующий туннельный микроскоп с оптическим возбуждением: комбинируется с лазерным облучением для исследования фотоиндуцированных процессов.
• Сканирующий туннельный микроскоп с атомно-силовым режимом: гибридные приборы, объединяющие функции СТМ и АСМ.

Интересные факты

• Первое изображение атомов, полученное на СТМ, было опубликовано в 1983 году в журнале Physical Review Letters.
• С помощью СТМ в 1993 году впервые удалось визуализировать молекулу ДНК в нативном состоянии (на проводящей подложке).
• В 2004 году группа учёных из IBM продемонстрировала создание логического элемента из молекулы, управляемого с помощью СТМ.
• СТМ активно используется в космических исследованиях: в 2014 году на Международной космической станции был установлен микроскоп для экспериментов в условиях микрогравитации.

Источники

• Бинниг Г., Рорер Г. Сканирующий туннельный микроскоп // Успехи физических наук. — 1987. — Т. 152, № 3. — С. 477–496.
• Chen C. J. Introduction to Scanning Tunneling Microscopy. — 2nd ed. — Oxford University Press, 2008.
• Wiesendanger R. Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy: Methods and Applications. — Cambridge University Press, 1994.
• Stroscio J. A., Kaiser W. J. Scanning Tunneling Microscopy. — Academic Press, 1993.
• Панова В. И., Костин В. В. Сканирующая туннельная микроскопия в СССР // Приборы и техника эксперимента. — 1988. — № 5. — С. 7–15.