Что такое сканирующий туннельный микроскоп (СТМ)?
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — это один из типов сканирующих зондовых микроскопов, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. Он был изобретен в 1981 году Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером из лаборатории IBM в Цюрихе.
Принцип работы СТМ
В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем (0.1 нм). При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения силы тока — 1-1000 пА при расстояниях образец-игла около 1 Å.
Процесс сканирования включает следующие этапы:
Подвод иглы: Игла подводится к поверхности образца на заданное расстояние.
Установление туннельного тока: Поддерживается стабильный туннельный ток за счёт обратной связи.
Сканирование: Игла перемещается вдоль поверхности образца, и изменения туннельного тока фиксируются.
Построение карты рельефа: На основе этих данных строится карта высот поверхности.
Устройство СТМ
Сканирующий туннельный микроскоп включает следующие элементы:
Зонд (игла): Острая металлическая игла, которая сканирует поверхность образца.
Система перемещения зонда: Устройство, которое перемещает иглу по двум (X-Y) или трём (X-Y-Z) координатам.
Регистрирующая система: Фиксирует значение функции, зависящей от величины тока между иглой и образцом, либо перемещения иглы по оси Z.
Ограничения использования СТМ
Проводимость образца: Поверхность должна иметь поверхностное сопротивление не более 20 М Ом/см².
Глубина канавки: Глубина канавки должна быть меньше её ширины, чтобы избежать туннелирования с боковых поверхностей.
Технология заточки иглы: Не гарантирует одного острия на конце иглы, что может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков.
Воздействие окружающей среды: В условиях, отличных от вакуума, на поверхности могут осаждаться частицы, газы и т.д.
История создания
1981 год: Изобретение СТМ в современном виде.
1986 год: Бинниг и Рорер за изобретение СТМ и Э. Руск за изобретение просвечивающего электронного микроскопа были удостоены Нобелевской премии.
СССР: Первые работы по этой тематике были сделаны в 1985 году Институтом физических проблем АН СССР.
Заключение
Сканирующий туннельный микроскоп — это мощный инструмент для исследования рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. Его принцип работы основан на измерении туннельного тока между иглой и образцом, что позволяет создавать высокоточные карты рельефа поверхности.
