Введение
Прибор, способный получать изображения поверхностей на атомном уровне, используя эффекты квантового туннелирования. Сканирующий туннельный микроскоп (STM) – это тип сканирующего зондового микроскопа, используемый для визуализации поверхностей на атомном уровне. Его разработка в 1981 году принесла его изобретателям, Герду Биннигу и Генриху Рореру, работавшим тогда в IBM в Цюрихе, Нобелевскую премию по физике в 1986 году. STM определяет характеристики поверхности с помощью чрезвычайно острого проводящего наконечника, способного различать объекты размером менее 0,1 нм с разрешением по глубине 0,01 нм (10 пм). Это означает, что отдельные атомы могут регулярно визуализироваться и манипулироваться. Большинство сканирующих туннельных микроскопов предназначены для работы в сверхвысоком вакууме при температурах, близких к абсолютному нулю, но существуют модификации для исследований в воздухе, воде и других средах, а также при температурах выше 1000 °C. STM основан на принципе квантового туннелирования. Когда наконечник подносится очень близко к исследуемой поверхности, приложенное между ними напряжение позволяет электронам туннелировать через вакуум, их разделяющий. Результирующий туннельный ток является функцией положения наконечника, приложенного напряжения и локальной плотности состояний (LDOS) образца. Информация получается путем мониторинга тока при сканировании наконечником поверхности и обычно отображается в виде изображения. Иногда это выполняется в сильных магнитных полях и в присутствии примесей для определения свойств и взаимодействий электронов в исследуемом материале. Сканирующая туннельная микроскопия может быть сложной техникой, поскольку требует чрезвычайно чистых и стабильных поверхностей, острых наконечников, эффективной виброизоляции и сложной электроники. Тем не менее, многие энтузиасты собирают собственные микроскопы.
A scanning tunneling microscope (STM) is a type of scanning probe microscope used for imaging surfaces at the atomic level. Its development in 1981 earned its inventors, Gerd Binnig and Heinrich Rohrer, then at IBM Zürich, the Nobel Prize in Physics in 1986. STM senses the surface by using an extremely sharp conducting tip that can distinguish features smaller than 0.1 nm with a 0.01 nm (10 pm) depth resolution. This means that individual atoms can routinely be imaged and manipulated. Most scanning tunneling microscopes are built for use in ultra high vacuum at temperatures approaching absolute zero, but variants exist for studies in air, water and other environments, and for temperatures over 1000 °C. STM is based on the concept of quantum tunneling. When the tip is brought very near to the surface to be examined, a bias voltage applied between the two allows electrons to tunnel through the vacuum separating them. The resulting tunneling current is a function of the tip position, applied voltage, and the local density of states (LDOS) of the sample. Information is acquired by monitoring the current as the tip scans across the surface, and is usually displayed in image form. This is sometimes performed in high magnetic fields and in presence of impurities to infer the properties and interactions of electrons in the studied material. Scanning tunneling microscopy can be a challenging technique, as it requires extremely clean and stable surfaces, sharp tips, excellent vibration isolation, and sophisticated electronics. Nonetheless, many hobbyists build their own microscopes.
Процедура
Конец приближается к образцу с помощью механизма грубого позиционирования, который обычно контролируется визуально. На близком расстоянии точное регулирование положения конца относительно поверхности образца достигается с помощью пьезоэлектрических сканерных трубок, длина которых может изменяться управляющим напряжением. Между образцом и концом подается напряжение смещения, и сканер постепенно удлиняется, пока кончик не начнет принимать туннельный ток. Расстояние между концом и образцом w затем поддерживается в диапазоне от 4 до 7 Å (0,4–0,7 нм), немного больше высоты, при которой кончик испытывал бы отталкивающее взаимодействие (w < 3 Å), но все еще в области, где существует притягивающее взаимодействие (3 < w < 10 Å).
Инструментовка
Основными компонентами сканирующего туннельного микроскопа являются сканирующий наконечник, пьезоэлектрически управляемый сканер высоты (ось z) и бокового смещения (оси x и y), а также механизм грубого приближения образца к наконечнику. Микроскоп управляется специализированной электроникой и компьютером. Система установлена на системе виброизоляции. Некоторые сканирующие туннельные микроскопы способны записывать изображения с высокой частотой кадров. Видео, созданное на основе таких изображений, может демонстрировать поверхностную диффузию или отслеживать процессы адсорбции и реакции на поверхности. В микроскопах, работающих с видеочастотой, достигнуты частоты кадров 80 Гц при полностью функционирующей обратной связи, регулирующей высоту наконечника.
Ранние изобретения
Более раннее изобретение, сходное с изобретением Биннига и Роррера, – топографнер Р. Янга, Дж. Уорда и Ф. Скайра из NIST – использовал полевую эмиссию. Однако Нобелевский комитет признает Янга тем, кто осознал возможность достижения более высокого разрешения за счет использования туннельного эффекта.
Другие сопутствующие методы
На основе STM было разработано множество других методов микроскопии. К ним относятся фотонная сканирующая микроскопия (PSTM), использующая оптический наконечник для туннелирования фотонов; многоконтактная сканирующая туннельная микроскопия, позволяющая проводить электрические измерения в наномасштабе; и атомно-силовая микроскопия (AFM), в которой измеряется сила, возникающая при взаимодействии между наконечником и образцом. STM может использоваться для манипулирования атомами и изменения топографии образца, что привлекательно по нескольким причинам. Во-первых, STM обладает атомно-точной системой позиционирования, обеспечивающей высокоточную манипуляцию на атомном уровне. Кроме того, после модификации поверхности наконечником, тем же инструментом можно получить изображение образовавшихся структур. Исследователи IBM разработали метод манипулирования атомами ксенона, адсорбированными на никелевой поверхности. Этот метод использовался для создания электронных корралов из небольшого числа адсорбированных атомов и наблюдения колебаний Фриделя в электронной плотности на поверхности подложки. Помимо модификации поверхности образца, STM можно использовать для туннелирования электронов в слой фоторезиста, полученного электронным лучом, для проведения литографии. Это дает больший контроль над экспозицией по сравнению с традиционной литографией электронным лучом. Другое практическое применение STM – атомарное осаждение металлов (золота, серебра, вольфрама и т.д.) с любым желаемым (предварительно запрограммированным) рисунком, которое может использоваться в качестве контактов к наноустройствам или в качестве самих наноустройств.