Оглавление
- 1 Сканирующий туннельный микроскоп
- 1.1 История и разработка
- 1.2 Принцип работы
- 1.3 Процедура сканирования
- 1.4 Компоненты и материалы
- 1.5 Требования и условия
- 1.6 Преимущества и применение
- 1.7 Поведение электрона при наличии потенциала
- 1.8 Внутри барьера
- 1.9 Коэффициент пропускания
- 1.10 Туннельный ток
- 1.11 Формализм Бардина
- 1.12 Временная зависимость
- 1.13 Плотность состояний
- 1.14 Основные понятия туннельного тока
- 1.15 Модель Бардина
- 1.16 Эксперименты и результаты
- 1.17 Другие методы микроскопии
- 1.18 Практическое применение STM
- 1.19 Полный текст статьи:
- 2 Сканирующий туннельный микроскоп – Arc.Ask3.Ru
Сканирующий туннельный микроскоп
-
История и разработка
- Сканирующий туннельный микроскоп (STM) разработан Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году.
- В 1986 году они получили Нобелевскую премию по физике за свои достижения.
-
Принцип работы
- STM использует квантовое туннелирование для визуализации поверхностей на атомарном уровне.
- Наконечник STM измеряет поверхность с разрешением 0,1 нм и глубиной 0,01 нм.
- Информация собирается путем мониторинга тока при сканировании поверхности.
-
Процедура сканирования
- Наконечник подводится к образцу с помощью пьезоэлектрических трубок сканера.
- Туннельный ток усиливается и отображается в виде изображения.
- В режиме постоянной высоты напряжение z-сканера поддерживается постоянным.
- В режиме постоянного тока электроника регулирует высоту наконечника.
-
Компоненты и материалы
- Основные компоненты: сканирующий наконечник, пьезоэлектрический сканер, механизм приближения образца.
- Наконечник изготавливается из вольфрама или платино-иридия, золото также используется.
- Сканер представляет собой полую трубку из пьезоэлектрика с металлизированными поверхностями.
-
Требования и условия
- STM требует чистых и устойчивых поверхностей, острых наконечников, виброизоляции и сложной электроники.
- Для длительного сканирования используются безэховые камеры и виброизолирующие устройства.
-
Преимущества и применение
- STM позволяет проводить локальные измерения плотности состояний.
- Используется для изучения электронной структуры и свойств материалов.
- Некоторые микроскопы способны записывать изображения с высокой частотой кадров.
-
Поведение электрона при наличии потенциала
- Волновые функции ψ(z) удовлетворяют уравнению Шредингера
- В областях с нулевым потенциалом волновая функция принимает определенные формы
-
Внутри барьера
- Волновая функция представляет собой суперпозицию двух слагаемых
- Коэффициенты r и t позволяют измерить отражение и прохождение через барьер
-
Коэффициент пропускания
- Коэффициент пропускания получается из условия непрерывности волновой функции
- В экспериментах STM высота барьера составляет порядка работы выхода
-
Туннельный ток
- Туннельный ток экспоненциально зависит от расстояния между образцом и наконечником
- Туннелирование происходит в основном с электронами вблизи уровня Ферми
-
Формализм Бардина
- Модель Бардина использует два ортонормированных набора волновых функций
- Волновые функции распадаются в вакууме после столкновения с барьером
- Вероятность туннелирования определяется коэффициентами cν(t)
-
Временная зависимость
- Вероятность туннелирования пропорциональна разности энергий состояний
- Наиболее вероятным процессом туннелирования является упругий
-
Плотность состояний
- Дробная часть формулы представляет собой плотность состояний острия при энергии EμS
- Количество энергетических уровней в образце между энергиями ε и ε + dε
-
Основные понятия туннельного тока
- Туннельный ток зависит от плотности состояний и вероятности туннелирования.
- Туннелирование происходит между состояниями с разными энергиями.
- Туннельный ток пропорционален произведению плотности состояний и вероятности туннелирования.
-
Модель Бардина
- Туннельный ток пропорционален локальной плотности состояний образца на уровне Ферми.
- Модель Бардина не объясняет боковое разрешение STM.
- Терсофф и Хаманн использовали модель Бардина для моделирования острия как бесструктурной точки.
-
Эксперименты и результаты
- STM используется для изучения поверхностных объектов размером более нанометра.
- Важно учитывать изменение состояния поверхности зонда и образца.
- STM позволяет манипулировать атомами и изменять топографию образца.
-
Другие методы микроскопии
- Фотонная сканирующая микроскопия (PSTM) использует оптический наконечник.
- Сканирующая туннельная потенциометрия (STP) измеряет электрический потенциал.
- Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия (SPSTM) использует ферромагнитный наконечник.
- Атомно-силовая микроскопия (АСМ) измеряет силу взаимодействия между наконечником и образцом.
-
Практическое применение STM
- STM используется для манипулирования атомами и изменения топографии образца.
- STM можно использовать для литографии и атомного осаждения металлов.
- STM обеспечивает больший контроль экспозиции по сравнению с традиционной электронно-лучевой литографией.