В 1826 году немецкий физик Георг Симон Ом установил закон (получивший впоследствии его имя), который определяет связь между электрическим током, текущим через проводник, сопротивлением проводника и напряжением на нем. Из этого закона, в частности, следует, что в разомкнутой электрической цепи, когда сопротивление бесконечно велико, ток всегда равен нулю.

В 1971 году Рассель Янг (с коллегами) и обнаружил переходную область плавного изменения тока при сближение двух электродов. В своих экспериментах он использовал вольфрамовую иглу и платиновый электрод с плоской поверхностью. Таким образом, Янгом были осуществлены первые прямые эксперименты по регистрации электрического тока, проходящего зазор между проводниками. Обнаруженное им явление есть одно из проявлений так называемого туннельного эффекта. Туннельный эффект – это прохождение через потенциальный барьер микрочастицы, энергия которой меньше, чем высота барьера.

В начале 1980-х Герд Бинниг и Генрих Рорер, сотрудники швейцарского отделения IBM, сделали прибор, позволяющий рассматривать одиночные атомы вещества. В нем было использовано квантовое явление туннелирования, и он получил название «сканирующий туннельный микроскоп» (СТМ).

Туннельная микроскопия – метод уникальный, прежде всего потому, что для туннельного эффекта не нужно никаких особых условий – ни вакуума, ни низких температур. Туннельным эффектом называется прохождение микрочастицы сквозь потенциальный барьер. Потенциальный барьер – увеличение потенциальной энергии в некоторой области пространства.

Электронно-микроскопическое изображение электрохимический заостренного СТМ зонда Самый важный элемент у атомно-силового микроскопа – игла. Так как мы заглядываем в наномир посредством взаимодействия между электронными оболочками атомов образца и атомов иглы.

Одномерная модель протекания туннельного тока. Предположим, что образец – сплошная электропроводящая среда, и к его свободной поверхности на расстояние S ~ 2¸3А подведено металлическое острие, заканчивающееся одним атомом. При приложении разности потенциалов V » 0,1 ¸ 1В между образцом и острием в цепи появится ток, обусловленный туннельным эффектом. Вероятность туннелирования в квазиклассическом приближении по порядку величины [2] В.С.Эдельман. Сканирующая туннельная микроскопия (обзор). Приборы и техника эксперимента (ПТЭ), 1989, 5, стр где характерная работа выхода ~5 эВ, m » г – масса электрона проводимости. Учитывая экспоненциальную зависимость T(S), для оценки туннельного тока I будем считать, что он целиком проходит через самый кончик острия, т. е. площадь туннельного контакта A » см 2. Приняв плотность электронов проводимости r » 1022 см-3/В и их скорость v » 108 см/с, получим оценку туннельного тока т.е. вполне измеримую величину. Видно, что при увеличении зазора ток экспоненциально уменьшается примерно на порядок на каждый ангстрем перемещения острия по нормали к образцу.

Разрешение по оси z ограничивается, во-первых, чувствительностью сенсора, и, во-вторых, амплитудой вибраций зонда относительно поверхности образца. Конструкция микроскопа должна обеспечивать уменьшение амплитуды этих вибрации до долей ангстрема. Разрешение СТМ по нормали к поверхности образца для атомно–чистых поверхностей достигает в благоприятных случаях сотых долей ангстрема. Благодаря крутой зависимости I(Z) электронные шумы аппаратуры, дробовой шум туннельного тока и т.п. слабо влияют на результаты. Максимальное разрешение в плоскости x-y определяется, прежде всего, точностью позиционирования зонда. Важное значение имеет геометрия острия зонда.

Режимы постоянного тока (а) и постоянной высоты (б)

СТМ имеет одно существенное ограничение: объект исследования должен быть проводящим – металл или полупроводник, иначе не будет туннельного тока. Получается, что в туннельный микроскоп нельзя «рассмотреть» ни один изолятор, например алмаз.

Так выглядит слой алюминия на поверхности кремния на изображении, полученном с помощью СТМ в Отделе физики поверхности ИАПУ ДВО РАН. Из-за того что атомы алюминия больше по размеру, чем атомы кремния, образуется такая необычная сверхструктура в виде треугольников