Техника сверхмалых линейных перемещений. Туннельный микроскоп

Для малых линейных перемещений элементов экспериментальных установок широко используют пьезоэлектрические преобразователи. Действие преобразователей основано на пьезоэлектрическом эффекте. В кристаллических материалах – пьезоэлектриках, при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация (прямой пьезоэффект). В этих же материалах наблюдается и обратный пьезоэффект - появление механических напряжений и связанных с ними деформаций тела под действием электрического поля. При деформации линейные размеры тел изменяются.

Пъезоэлектрический преобразователь состоит из отдельных, или объединенных в группы пластинок из пьезоэлектрического материала. На обе стороны пластинок наносят металлические электроды, к которым подводится управляющее электрическое напряжение. Электрическое напряжение в результате обратного пьезоэффекта вызывает обратимое изменение толщины пластинки. Чаще всего для изготовления пьезопреобразователей используется специальная пьезокерамика, изготавливаемая методом спекания из порошков титаната бария и цирконата свинца (PLZT - керамика), обладающая большим пьезоэффектом.

При подаче электрического напряжения, порядка 10 В, столбик, собранный из нескольких пьезокерамических пластинок, укорачивается или удлинняется на» 0,1 мкм. Таким образом, изменяя электрическое напряжение на пьезопреобразователе можно осуществлять точное и воспроизводимое перемещение нужного элемента экспериментальной установки, например, острия или зеркала лазерного резонатора или интерферометра, прикрепленных к пластине этого пьезопреобразователя с одной стороны. Другой конец пластины или столбика из пластин прикрепляется к основанию, относительно которого осуществляется перемещение.

Использование этого принципа перемещения и компьютерного управления этим перемещением в трех взаимно перпендикулярных направлениях привело к созданию туннельного микроскопа. За создание туннельного микроскопа швейцарский ученый H Pohra и два немецких ученых E. Rushka и G. Binning в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике.

Сканирующий туннельный микроскоп (1982 г) – прибор для изучения поверхностей твердых электропроводящих тел, основанный на сканировании поверхности острием.

Металлическое острие, конец которого состоит всего из нескольких атомов (так называемый кластер) создается путем проведения дозированного электрического разряда между острием иголки и близко расположенной к нему металлической поверхности.

Разрешающая способность туннельного микроскопа вдоль исследуемой поверхности достигает 0,1 нм, а для высоты неровностей поверхности – 0,001 нм.

При расстоянии между острием и поверхностью образца 0,3 … 1,0 нм через зазор может протекать ток, за счет туннельного эффекта. Величина туннельного тока составляет 1 … 10 нА при разности потенциалов между ними от единиц мВ до нескольких Вольт.

Рис. 22.3. Блок-схема туннельного микроскопа.

y – усилитель туннельного тока, ОС – электронная схема обратной связи, Д – пьезодвигатель острия, РО – устройство регистрации и обработки данных.

Пьезодвигатель острия Д состоит из трех пьезоэлектрических пластин, закрепленных на станине прибора и осуществляющих перемещение острия в трех взаимно перпендикулярных направлениях под действием управляющих напряжений, подаваемых устройствами ОС и Р. Р – осуществляет сканирование поверхности вдоль осей x и y. Устройство ОС автоматически поддерживает постоянное расстояние z между острием и поверхностью в процессе сканирования.

Устройство регистрации и обработки данных РО содержит компьютер на экране монитора которого отображается рельеф исследуемой поверхности – зависимость z от координат x и y.

Рис. 22.4. Фотография экрана монитора, представляющая собой результат сканирования поверхности монокристалла графита туннельным микроскопом.

Атомная структура свежего скола монокристаллического графита довольно долго остается чистой на воздухе. Поэтому ее используют в качестве тест-объекта. На фотографии светлые пятна – атомы углерода, выступающие над средней плоскостью поверхности. Темные места – углубления между ними.

Рис. 22.5. Одна из первых фотографий, на которой зарегистрирована ступенька поверхности высотой в один атомный слой.

На фотографии показана структура поверхности кристаллического кремния, полученная на сканирующем туннельном микроскопе. Границы элементарной ячейки, одна сторона которой лежит на ступеньке, показаны ромбом.

При меньшей разрешающей способности (~ 1 нм) можно изучать неровности поверхности на участках большего размера до десятков микрометров. Контроль качества поверхностей принципиально важен при исследованиях квантовых эффектов в кристаллах.

Успех в создании туннельного сканирующего микроскопа вызвал появление аналогичных методов исследования поверхностей посредством электрических, световых или магнитных датчиков. Среди них наибольшее распространение получил сканирующий атомно-силовой микроскоп (1986 г.). Его принцип действия основан на непосредственном сканировании образца острием, закрепленном на конце плоской пружины.

Сила взаимодействия между двумя ближайшими атомами, расположенными на кончике острия и на поверхности образца лежит в пределах 10^-7 …10^-9 Н. При жесткости упругого элемента порядка 1Н/м усилие такой величины приводит к измеримой деформации пружины.

Деформацию пружины измеряют обычно методом оптической интерферометрии. Плоская пружина, к которой прикреплено острие, и вспомогательное зеркало, образуют интерферометр Фабри-Перо. Сдвиг интерференционных полос, возникающих при многолучевой интерференции света от вспомогательного источника монохроматического излучения (лазера), может быть очень точно измерен.

При сканировании образца (точно так же, как это делается в сканирующем туннельном микроскопе) цепь обратной связи поддерживает постоянной деформацию пружины, соответственно изменяя z. Синхронная со сканированием регистрация сигнала обратной связи представляет собой запись профиля поверхности образца. Разрешающая способность сканирующего атомно-силового микроскопа может достигать 0,001 нм по z и 0,1 нм по xy.

Сканирующий атомно-силовой микроскоп хорошо работает в вакууме и жидкости и значительно хуже в воздухе. Возникающая в воздухе поверхностная пленка влаги приводит к слипанию острия с поверхностью образца и сильному искажению действующих между ними сил.

Преимущество сканирующего атомно-силового микроскопа – возможность исследования поверхностей не только проводников, но и диэлектриков.

Рис. 22.6. Топография углеродной пленки со структурой алмаза, толщиной 50 нм, облученной ионами урана с энергией 1 ГэВ, полученная с помощью силового сканирующего микроскопа. Удар каждого иона приводит к образованию «острия».

Рис. 22.6. Диаграмма, иллюстрирующая «закон» Мура (1965): «число транзистров на компьютерных чипах удваивается каждые два года». В ближайшие годы произойдет переход к нанотехнологиям с размерами наименьших структур на микросхемах ~ 50 нм. Для этого необходим переход к фотолитографии с использованием крайнего ультрафиолета EUV. В этом спектральном диапазоне могут работать только зеркальная оптика. Визуализация наноструктур возможна только при использовании современной микроскопии.

Дата добавления: 2014-01-13