Вы здесь

Дослідження взаємодії вісмуту та водню з поверхнями Si(111) та Si(100) методом скануючої тунельної мікроскопії

Автор: 
Булавенко Сергій Юрійович
Тип работы: 
Дис. канд. наук
Год: 
2002
Артикул:
3402U001640
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ЕКСПЕРИМЕНТУ
Для вирішення задач, поставлених в попередній главі, використовувались методики СТМ, ЕОС, Мас-спектрометрія та УФЕС. Основні результати в роботі отримані з використанням методики СТМ, оскільки основна увага в дисертаційній роботі приділялася дослідженню топографічних і електронних властивостей та динамічних явищ на поверхні з атомною роздільною здатністю.
2.1. Методика СТМ.
З метою полегшення розуміння та інтерпретації приведених в дисертаційній роботі даних, зупинимося коротко на фізичних явищах, що лежать в основі СТМ, на режимах роботи мікроскопа та проблемах, що стоять на шляху інтерпретації експериментальних результатів.
2.1.1. Принцип роботи СТМ.
Основним елементом тунельного мікроскопа є вістря, яке прецизійно підводиться до досліджуваної поверхні на відстань (z) кількох ангстрем (рис.2.1). При таких відстанях відбувається перекриття хвильових функцій вістря та зразка і при прикладанні напруги до тунельного проміжку протікає тунельний струм [69-72].
В рамках простої моделі тунелювання (великі відстані між вістрям та зразком і мала напруга на тунельному проміжку) [70] тунельний струм можна описати в термінах густин електронних станів вістря та зразка і прозорості бар'єра. Для тунельного струму теорія [70] дає наступний вираз:
(2.1.)
де V - прикладена напруга;
?s, ?t - густина електронних станів відповідно зразка та вістря;
Т(r,eV,E) - ймовірність тунелювання (прозорість бар'єра);
Е - енергія відносно рівня Фермі;
r - позиція вістря у площині зразка;
Якщо бар(єр апроксимувати прямокутною формою, то його прозорість опишеться формулою :

(2.2.)
де z - відстань між вістрям та зразком;
?s, ?t - роботи виходу вістря та зразка, відповідно;
З формули 2.2. видно, що прозорість бар'єра експоненційно залежить від величини відстані між вістрям та зразком z. Теоретичні оцінки та дані експериментальних досліджень [70] показують, що струм змінюється в 10 разів при зміні відстані z приблизно на 1 A. Це означає, що основний вклад у тунельний струм вносять лише атоми вістря, що знаходяться найближче до поверхні. Вклад в тунельний стум з атомів вістря, розташованих на 2-3 A далі ніж найближчі, складає 1%-0.1%. Іншими словами, тунелювання має місце переважно між одиночними атомами вістря та поверхні, що і забезпечує роздільну здатність на атомному рівні.
Від полярності напруги на тунельному проміжку залежить напрямок тунелювання електронів, а отже вільні, чи зайняті стани зразка беруть участь у тунелюванні. Якщо електрони тунелюють із вістря у вільні електронні стани зразка (додатня напруга на зразку), то СТМ-зображення буде у вільних станах (рис.2.2а), а якщо електрони тунелюють із зайнятих електронних станів зразка (від'ємна напруга на зразку), то у зайнятих станах (рис.2.2б).
В межах параметрів тунелювання (напруга та струм), за виключенням особливих випадків (великі електричні поля і струми), дійсна висота атома (положення його ядра) не змінюється. Тому всі зміни в яскравості СТМ-зображень, викликані зміною V та І, обумовлені залежністю густини електронних станів (ГЕС) зразка від енергії поблизу EF.
Незважаючи на обмеженість даної моделі тунелювання, формули 2.1. та 2.2. дають якісно-вірний опис залежності тунельного струму від відстані, роботи виходу, густин електронних станів вістря та поверхні. В більшості випадків ця модель дає можливість якісно, а інколи і кількісно інтерпретувати отримані дані.
2.1.2. Застосування СТМ для дослідження топографії.
Відомо два основних режими отримання СТМ-зображень: режим сталого струму та сталої висоти, які відрізняються як часовими характеристиками, так і областями застосування. В обох режимах вістря за допомогою системи точного позиціювання переміщується (сканує) над поверхнею зразка, формуючи растр.
В режимі сталого струму система зворотного зв(язку при скануванні підтримує тунельний струм сталим, завдяки зміні відстані між вістрям та зразком. Інформація, в даному режимі, міститься в положенні вістря у напрямку, перпендикулярному до поверхні (рис.2.3). Достоїнство цього режиму є захищеність від зіткнень вістря з поверхнею, а звідси можливість сканування відносно великих площ. Недолік режиму - обмеженість швидкодії характеристиками системи зворотного зв(зку, тобто максимальною швидкістю, з якою зворотній зв'язок може підтримувати заданий тунельний струм постійним.
Режим сталої відстані відрізняється від попереднього тим, що вістря у площині зразка рухається з великою швидкістю і система зворотного зв(язку не встигає реагувати на локальні неоднорідності, тому положення вістря в напрямку, перпендикулярному до поверхні, є практично фіксованим, а носієм інформації виступає тунельний струм (рис.2.4). Зображення можна отримувати зі значно більшою швидкістю ніж в режимі сталого струму, але вістря при цьому незахищене від зіткнень, що обмежує використовування цього режиму лише скануванням поверхонь, шорсткість яких не перевищує кількох ангстрем.
Розглянемо вплив структури вістря на отримані з СТМ-зображень дані. Найпоширенішим спотворенням СТМ-зображень є спотворення типу "мультивістря", коли кінчик вістря складається з кількох мінівістер і тунелювання відбувається з кількох атомів. Мінівістря можуть знаходитися поруч, або бути рознесеними на сотні ангстрем. Отримані з допомогою мультивістря зображення є суперпозицією декількох СТМ-зображень [73,74]. Факт суперпозиції дає можливість встановити, чи є отримана структура на зображенні спотвореною за рахунок мультивістря. Відзначимо, що спотворення зображення за рахунок мультивістря може бути локальним (при отримані зображення одних ділянок на поверхні буде мати місце тунелювання з кількох атомів вістря, а інших ділянок - тунелювання з одного атома) і спостерігатися не при будь-якій напрузі зміщення.
Іншою причиною спотворень зображень є випадок, коли на поверхні існують схили більшої крутизни,