Оглавление
- 1 Сканирующий туннельный микроскоп
- 1.1 История и разработка
- 1.2 Принцип работы
- 1.3 Процедура сканирования
- 1.4 Преимущества и ограничения
- 1.5 Приборы и компоненты
- 1.6 Виброизоляция и стабильность
- 1.7 Программное обеспечение и обработка данных
- 1.8 Принцип действия
- 1.9 Поведение электрона при наличии потенциала
- 1.10 Внутри барьера
- 1.11 Коэффициент пропускания
- 1.12 Туннельный ток
- 1.13 Формализм Бардина
- 1.14 Временная зависимость
- 1.15 Плотность состояний
- 1.16 Основные понятия туннельного тока
- 1.17 Экспериментальные условия и упрощения
- 1.18 Модель Бардина и её ограничения
- 1.19 Применение и развитие
- 1.20 Полный текст статьи:
- 2 Сканирующий туннельный микроскоп
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 0,01 нм.
- Информация собирается путем мониторинга тока при сканировании поверхности.
-
Процедура сканирования
- Наконечник подводится к образцу с помощью пьезоэлектрических трубок сканера.
- Туннельный ток усиливается при достижении расстояния 4-7 Å между острием и образцом.
- В режиме постоянной высоты напряжение z-сканера поддерживается постоянным, в режиме постоянного тока — регулируется.
-
Преимущества и ограничения
- STM позволяет проводить локальные измерения плотности состояний.
- Ограничения включают необходимость чистых и устойчивых поверхностей, острых наконечников и сложной электроники.
-
Приборы и компоненты
- Основные компоненты: сканирующий наконечник, пьезоэлектрический сканер, механизм приближения образца.
- Наконечник изготавливается из вольфрама или платино-иридия, разрешение ограничено радиусом кривизны наконечника.
- Сканер представляет собой полую трубку из пьезоэлектрика с металлизированными поверхностями.
-
Виброизоляция и стабильность
- Необходима надлежащая виброизоляция для получения полезных результатов.
- Современные микроскопы устанавливаются в безэховых камерах для стабильности.
-
Программное обеспечение и обработка данных
- Специальное программное обеспечение используется для обработки изображений и количественных измерений.
- Некоторые микроскопы способны записывать изображения с высокой частотой кадров.
-
Принцип действия
- Квантовое туннелирование электронов позволяет электронам проходить через классически запрещенные области.
- Прямоугольная модель барьера описывает туннелирование между образцом и наконечником STM.
-
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, вероятности туннелирования и коэффициента вероятности.
-
Экспериментальные условия и упрощения
- Эксперименты проводятся при температуре жидкого гелия.
- Волновые функции электронов и туннельный матричный элемент не изменяются в узком диапазоне энергий.
- Туннельный ток зависит от расстояния между электродами через матричный элемент туннелирования.
-
Модель Бардина и её ограничения
- Модель Бардина описывает туннелирование между двумя плоскими электродами.
- Модель не объясняет боковое разрешение сканирующего туннельного микроскопа.
- Терсофф и Хаманн использовали модель Бардина для моделирования острия как бесструктурной точки.
-
Применение и развитие
- STM используется для манипулирования атомами и изменения топографии образца.
- STM можно использовать для литографии и атомного осаждения металлов.
- На основе STM разработаны другие методы микроскопии, такие как фотонная сканирующая микроскопия и атомно-силовая микроскопия.