Туннельный микроскоп как инструмент нанотехнологий

ГОУ Средняя общеобразовательная школа №301

Московский Государственный Технологический Университет

  “Станкин”  

Проектно-исследовательская работа

на тему:

“Туннельный микроскоп как инструмент нанотехнологий”

Выполнил:                                                  ученик 11а класса

                                                                    Агафонов Кирилл Сергеевич

Научный руководитель:                           кандидат технических наук

                                                                    Богомолов Алексей Валентинович

Учитель физики:                                       магистр техники и технологий    

                                                                    Пестрецов Владимир Викторович

Москва, 2006г.

Содержание:

1.Введение…………………………………………………..3

2. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа…………………………………………………4                             

2.2. Что такое туннельный эффект?....................................4

3. Технические возможности туннельного микроскопа...9

3.2. Области применения………………………………….10

4. Нанотехнологии. Перспективы развития…………...…12

5.Заключение…………………………………………….…16

6.Список литературы………………………………………17

1. Введение.

      Физика поверхностных явлений в настоящее время является одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки. Именно на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твердого тела основаны успехи современных микро и наноэлектроники, исследование разнообразных электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел. Остается актуальной задачей и заветное желание ученых на протяжении многих лет - непосредственное наблюдение за поведением отдельных атомов на поверхности твердого тела и изучение процессов с участием одиночных или небольших групп атомов.

      Первостепенное значение для понимания свойств любого объекта имеет знание его атомной структуры, поэтому определение поверхностных структур - один из наиболее важных разделов физики поверхности. Последние 30 лет микроструктура поверхностей твердых тел интенсивно изучалась методами дифракции и рассеяния электронных и ионных пучков. Однако большинство этих методов первоначально разрабатывалось для исследования объемной структуры твердых тел, поэтому они не всегда годятся для получения информации о структуре поверхности, тем более на атомном уровне. Изобретение в 1982 году Г. Биннигом и Г.Рорером   сканирующего туннельного микроскопа, который не накладывает ограничений на размеры образцов, реально открыло двери в новый микроскопический мир.

2. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа.

      По своей природе электрон обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Расчеты показывают, что волновые функции электронов в атоме отличны от нуля и за пределами сферы, соответствующие поперечнику эффективного сечения атома (размеру атома). Поэтому при сближении атомов волновые функции электронов перекрываются раньше, чем начинает существенно сказывается действие межатомных сил отталкивания. Появляется возможность перехода электронов от одного атома к другому. Таким образом, возможен обмен электронами и между двумя телами, сближенными без соприкосновения, то есть без механического контакта.

1. у одного тела должны быть свободные электроны (электроны проводимости), а у другого – незаполненные электронные уровни, куда могли бы перейти электроны;
2. между телами требуется приложить разность потенциалов, и её величина несоизмерима мола в сравнении с той, что требуется для получения электрического заряда при пробе воздушного диэлектрического зазора между двумя телами.

      Электрический ток, возникающий при заданных условиях, объясняется туннельным эффектом и называется туннельным током.

                              2.2. Что такое туннельный эффект?

    Туннельным эффектом называется возможность элементарной частице,

Например электрону, пройти (протуннелировать) через потенциальный барьер, когда энергия барьера выше полной энергии частицы. Возможность существования туннельного эффекта в микромире была понята физиками в период создания квантовой механики, в 20-30-х годах нашего века. В дальнейшем за счёт туннельного эффекта были объяснены некоторые весьма важные явления, обнаруженные экспериментально в различных областях физики.

      Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно прост, но кардинально отличается от всех предшествующих методик, применявшихся в физике поверхности. Тонкое металлическое острие, смонтированное на электромеханическом приводе (X, Y, Z-позиционере), служит зондом для исследования участков поверхности образца (рис. 1а). Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние , то при приложении между острием и образцом небольшого (от 0,01 до 10 В) напряжения смещения Vs через вакуумный промежуток начинает протекать туннельный ток It порядка 10-9 . Полагая, что электронные состояния локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении X и / или Y с одновременным измерением выходного сигнала в цепи можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне.

      Существуют два варианта режима работы СТМ : режим постоянной высоты и режим постоянного тока.

      При работе в режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над исследуемой поверхностью (рис.2а). Туннельный ток при этом изменяется и по этим изменениям легко может быть определен рельеф поверхности образца.

      При работе в режиме постоянного тока (рис.2б) используется система обратной связи, которая поддерживает постоянным туннельный ток за счет перемещения острия иглы в вертикальном направлении. В этом случае информация о рельефе поверхности получается на основании данных о перемещении иглы.

      Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике, а электронное туннелирование с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления СТМ (как и контактная спектроскопия). Все это делает СТМ уникальным микроскопом, который не содержит линз, а значит, изображение не искажается из-за аберраций, энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопии высокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов.

      Несмотря на свою простоту, конструирование и изготовление СТМ до сих пор остается трудной задачей. Даже в наши дни существует немного лабораторий, располагающих СТМ, которые работали бы с истинно атомным разрешением. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные СТМ, работающие в условиях криогенных температур. В дальнейшем будем говорить только о сверхвысоковакуумных СТМ, работающих при комнатной температуре. Перечислим основные проблемы, стоящие перед разработчиками:

      1) изоляция от акустических и механических вибраций;

      2) создание быстродействующей малошумящей электроники, работающей в широком динамическом диапазоне;

      3) обеспечение надежных сверхвысоковакуумных условий, допускающих различные манипуляции с образцом;

      4) изготовление тонких атомногладких острий-зондов и их диагностика.

      Для решения первоначально казавшейся непреодолимой проблемы виброизоляции Бинниг и Рорер в своей первой конструкции использовали даже сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла. В дальнейшем эту проблему удалось решить используя специальную подвеску в вакууме всего микроскопа на длинных пружинах и разместив сканирующий узел на массивном виброизолирующем столике. Для подвода острия-зонда к образцу на расстояние , равное нескольким ангстремам, и сканирования вдоль поверхности использовался пьезодвигатель на основе пьезоэлектриков - это такие материалы, которые изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения (рис. 1а).

      Схема, демонстрирующая устройство СТМ и его работу, приведена на рис 1б. На пьезоэлемент pz подается напряжение с выхода усилителя обратной связи, которое определяет величину зазора между образцом и острием и тем самым величину туннельного тока. Сам туннельный ток должен быть все время пропорционален заданному току, что поддерживается благодаря управляемой компьютером цепи обратной связи. На пьезоэлементы px и py под управлением того же компьютера подаются пилообразные напряжения, формирующие строчную и кадровую развертки (растр) подобно тому, как это осуществляется в телевидении. Осциллограммы напряжения Vz запоминаются компьютером, после чего преобразуются в зависимость z (x, y), отображающую траекторию движения острия и, таким образом, являющуюся туннельным изображением поверхности образца. Как правило, записанные сигналы подвергаются фильтрации и дополнительной компьютерной обработке, позволяющей представить туннельные изображения в режиме так называемой серой шкалы, в котором контраст изображения коррелирует с рельефом поверхности: светлые пятна соответствуют более высоко расположенным областям и наоборот. И в процессе работы даже с первым вариантом СТМ в марте 1981 года (всего через 27 месяцев после того, как была сформулирована его базовая концепция!) была экспериментально доказана характерная для туннелирования экспоненциальная зависимость тока It от расстояния острие-образец. День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии.

3. Технические возможности туннельного микроскопа.

    Основными техническими характеристиками СТМ являются разрешение по нормали к исследуемой поверхности объекта и разрешение в плоскости XY. Реальное разрешение СТМ зависит от ряда факторов, основными из которых являются внешние вибрации, акустические шумы и качество приготовления зондов. На рис.3 показана структура свежего скола по кристаллографической плоскости высокоориентированного пиролитического графита.

      Изображения структур на рис. 3, а, б, в получены в условиях низкого, среднего и высокого уровней помех.

Рис. 3. Изображение структуры поверхности свежего скола по кристаллографической плоскости (0001) высокоориентированного пиролитического графита при разных уровнях помех а, б, в.

      Изображение структуры на рис.3, в получено в обычных лабораторных условиях, то есть при высоких уровнях помех.        

      Помимо разрешения микроскопа его важной характеристикой является полезное увеличение. Для СТМ полезное увеличение составит около 7 млн. раз (для сравнения: у оптического микроскопа - 1000 раз).

      Другая важная характеристика СТМ – максимальный размер поля сканирования в плоскости XY и максимальное перемещение зонда по нормали к поверхности. Первые конструкции СТМ имели очень малое поле сканирования (не более 1  1 мкм).

      Технические возможности СТМ могут быть существенно расширены. С этой целью проводят энергетический анализ туннелирующих электронов, т.е. получают спектральную зависимость туннельного тока.

3.2. Области применения.

      1. Физика и химия поверхности на атомном уровне.

      С помощью туннельной микроскопии удалось осуществить реконструкцию атомного строения поверхности многих материалов. СТМ позволяет получать спектр электронных состояний с атомным разрешением и определять химический состав поверхностного слоя, распределение потенциалов при протекании тока через образец и др.

      2. Нанометрия – исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности образца.

      3. Нанотехнологии – исследование, изготовление и контроль приборных структур в микроэлектронике.

      На основе СТМ, в частности, возможны запись и воспроизведение информации. При записи используют эффект локального воздействия зонда на поверхность носителя информации. Это воздействие может быть механическим, создающим на поверхности искусственный рельеф в виде ямок – битов памяти. Искусственный рельеф может создаваться и путём термодесорбции. В этом случае зонд выступает в роли носителя материала для создания битов информации. Зонд может использоваться также и в роли точечного источника электронов для осуществления электронной литографии, химических или структурных локальных перестроек поверхности.

      При записи информации методом электронной литографии (нанолитографии) через острие зонда пропускают кратковременно большой силы туннельный ток Iт при повышенной разности потенциалов U, происходит эмиссия электронов или ионов с острия на поверхность объекта или наоборот, и образуются на поверхности ямки или впадины, которые и несут бит информации. Плотность записи достигает до 1012 бит/см2. Для сравнения: плотность записи на современном накопителе информации, где использован магнитный эффект (магнитные диски), составляет 107 бит/см2, при лазерном воздействии (компакт диски - CD) – до 109 бит/см2.

      4. Исследование биологических объектов – макромолекул (в том числе и молекул ДНК), вирусов и других биологических структур.

      Следует отметить, что большая часть (примерно 80%) всех опубликованных работ относится к первой группе областей применения СТМ. В последнее время увеличивается количество публикаций относящихся к четвёртой группе.

      5. СТМ имеет широкие перспективы в области материаловедения - при изучении микро-, суб- и кристаллических структур различных материалов. Объектами для исследования структуры материалов на СТМ могут служить, как и в других случаях (оптическая и электронная микроскопия), микрошлифы. Рельеф микрошлифа, получаемый при травлении, будет отражать структуру материала. Исследование рельефа на СТМ с высоким разрешением позволит выявить особенности, прежде всего, субструктурного строения. Представляется, что метод сканирующей туннельной микроскопии откроет широкие возможности для исследования дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций и т.д.), различных сегрегаций атомов, в том числе и при фазовых превращениях, особенно на их ранних стадиях. Определение, наряду с изучением структуры материала, химического состава локальных зон поверхностного слоя объекта (СТМ-спектроскопия), позволит составить конкуренцию растровой электронной микроскопии, микрорентгеноструктурному анализу, превосходя последний по уровню разрешения.

      Работ в области материаловедения, особенно фундаментального характера, с использованием СТМ пока крайне мало. В настоящее время имеются работы по исследованию на СТМ некоторых металлов и сплавов, плёнок металлов толщиной от 0,5 нм, дифракционных решёток (изготовленных методами микроэлектроники и голографии), полупроводников, ферритовых головок, усталостных трещин в металлических материалах, углеродных микропористых фильтров, алмазоподобных плёнок, металлических монокристаллов, теплоизолирующих материалов на основе спечённых кварцевых волокон, порошковых материалов, алмаза и других природных камней, фуллеренов и подобных им образований, плёнок жидких кристаллов и др. Эти исследования в основном связаны с выявлением структуры различных материалов.

4.Нанотехнологии. Перспективы развития.

      Физики исследовательского центра компьютерного концерна IBM Almaden в Калифорнии решили применить для разработки новых вычислительных систем на нанометровом и атомарном уровне принцип домино. Роль камней домино выполняют молекулы, которые при "падении" образуют цепочки, позволяющие производить математические операции.
     Для своих исследований ученые используют сканирующий туннельный микроскоп – изобретение немецкого физика Герда Биннинга (Gerd Binning), получившего за него Нобелевскую премию в 1986 году. Намагниченная игла микроскопа приближается почти вплотную к поверхности носителя, между ними – вследствие так называемого туннельного эффекта – возникает электрический ток. Его величина поддерживается на одном и том же уровне. По мере продвижения вдоль носителя игла то удаляется от поверхности, то приближается к ней, как бы "прощупывая" своеобразный атомарный "рельеф".
     По большому счету, туннельный микроскоп во многом напоминает знакомый с детства проигрыватель пластинок, только в нём игла бежит не по неровностям виниловой дорожки, а по атомам поверхности носителя. Исследование рельефа проходит без непосредственного соприкосновения с поверхностью, но несмотря на это, исследователям уже удается перемещать атомы с места на место, выстраивая из них некое подобие детского конструктора Lego. Игла проигрывателя несёт по поверхности пластинки крохотные частицы пыли, как бы толкая их перед собой. То же самое способен проделывать и туннельный микроскоп, только с микрочастицами.
     Уже давно физикам IBM удалось выложить фирменный знак (рис.4) своего концерна из отдельных атомов.

Рис. 4. Фирменный знак IBM.

      Однако это, можно сказать, ничто по сравнению с результатами, которых недавно добился руководитель лаборатории Андреас Хайнрих (Andreas Heinrich):
      "Мы показали, что способны не только рисовать на поверхности атомарные граффити, но и выстраивать активные логические структуры из отдельных атомов, что позволит в будущем использовать подобные технологии для создания сверхминиатюрных компьютеров".
     Хайнрих и его коллеги работают не с атомами, а с незначительно превышающими их по размерам молекулами угарного газа. Согласно определённой схеме ученые расположили 550 молекул на поверхности с медным покрытием. Андреас Хайнрих приводит для наглядности аналогию с костяшками домино, падающими в определенной последовательности или остающимися стоять на поверхности стола. У костяшек есть всего две возможности – они или лежат, или стоят. Так же и с молекулами окиси углерода: они или остаются на своем месте или сдвигаются на одну позицию дальше.
     По словам Андреаса Хайнриха, расстояние между двумя позициями составляет четверть нанометра. Молекула "перепрыгивает" на следующую позицию и сталкивает соседнюю молекулу с места. Таким образом возникает цепная реакция.
     И самое важное: Хайнрих установил молекулы так, что они могут взаимодействовать друг с другом, встречаясь в условленных пунктах. Эти "места встреч" и являются элементами логических цепочек. Они справляются с простыми вычислительными операциями такими, например, как логическое умножение:
      "Логическое умножение предусматривает два входных импульса и один выходной. Возникновение выходного импульса возможно лишь при подаче обоих входных. Это означает, что если поступил только один из них, то выходного импульса не будет".
     

       В общей сложности физики выстроили шесть различных логических операций. Они соединены определенным образом и представляют собой своего рода вычислительную машину. Действие этого захватывающего представления разворачивается на поверхности размером в 12 на 17 нанометров. Для сравнения: в сегодняшних компьютерных чипах один транзистор занимает площадь в 2.000х2.000 нанометров. Итак, вычисления на нанометровом уровне стали реальностью.
     Однако впадать в эйфорию рано. У этой многообещающей технологии есть один существенный недостаток: так же, как и ряды из костяшек домино, которые можно опрокинуть лишь один раз, исследователи вынуждены всё время выстраивать наши структуры от молекулы к молекуле. То есть, для того, чтобы произвести новое вычисление, необходимо при помощи туннельного микроскопа заново приводить каждую молекулу в её первоначальное состояние. А длится этот процесс может часами. Так что пока конкурировать с "Пентиумом" нано-домино не в состоянии:
     "Необходимо иметь в виду, что речь здесь идет не о презентации готовой компьютерной технологии. Важно то, что эксперимент доказал возможность создания компьютерных систем на атомарном уровне".
     Ученый поделился своими планами на будущее. Вместо того, чтобы приводить в движение молекулы механическим путем, физики при помощи электромагнитных полей будут менять направление вращения ядер атомов - "ядерные спины". Этим уже занимаются исследователи бостонской лаборатории MIT Media Lab, работающие над созданием так называемых "квантовых компьютеров", которые также работают со специальными молекулами.

5. Заключение.

      Мы кратко рассмотрели историю создания СТМ и получения структурных и электронных изображений поверхности с атомным разрешением. С момента своего изобретения СТМ широко используется учеными самых разных специальностей, охватывающих практически все естественнонаучные дисциплины, начиная от фундаментальных исследований в области физики, химии, биологии и до конкретных технологических приложений. Принцип действия СТМ настолько прост, а потенциальные возможности так велики, что невозможно предсказать его воздействие на науку и технику даже ближайшего будущего.

                      6. Список литературы.

1. От субмикронной к нанотехнологии. / Ю.С.Борисов, В.В.Ракитин, Н.С.Самсонов/

2. Физические основы полупроводниковой нанотехнилогии.   /Белявский В.И./

3. Нанотехнология с помощью СТМ. /Неволин В.К., Хлебников Ю.В., Шермегор Т.Д. /

4. Нанологические процессы и установки. /Лускинович П.Н./

5. Наноиндустрия и микросистемы. /Алексенко А.Г/

6. СТМ – измерительное средство нонотехнологии./А.Бычихин, М.О.Галлямов, В.В.Потёмкон, А.В.Степанов, И.В.Яминский/