Нобелевская премия по физике,1986 г.

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, гетерогенного катализа, космических технологий и т.п. Поэтому исследование разнообразных электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел, остается актуальной задачей.физики поверхности твердого тела наноэлектроники гетерогенного катализа космических технологий

Первыми устройствами, с помощью которых стало возможным наблюдать за нано объектами и передвигать их, стали сканирующие зондовые микроскопы : атомно-силовой микроскоп(АСМ) и сканирующий туннельный микроскоп(СТМ) (работающий по аналогичному принципу).

Длина кантилевера 500 мкм, ширина 50 мкм, толщина 1 мкм Длина шипа 10 мкм, радиус закругления от 1 до 10 нм

Герд Бинниг Немецкий физик Дата рождения: 20 июля 20 июля 1947 ( ) (62 года)1947 Место рождения: Франкфурт-на-Майне Франкфурт-на-Майне, ФРГФРГ Научная сфера: Физика Награды и премии Нобелевская премия по физике Нобелевская премия по физике (1986 ) Генрих Рорер Дата рождения: 6 июня 6 июня 1933 ( ) (76 лет)1933 Место рождения:Букс Букс, Швейцария Швейцария Гражданство: Швейцария Научная сфера:физика Награды и премии Нобелевская премия по физике Нобелевская премия по физике (1986)1986

Генрих Рорер и Герд Бинниг, ученые из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе были награждены в 1986 г. Нобелевской премией по физике за их работу по сканирующей туннельной микроскопии. Бинниг и Рорер были отмечены за разработку мощных методов исследований на основе Сканирующей Туннельной Микроскопии. Они разделили премию с немецким ученым Эрнстом Руска, конструктором первого Электронного Микроскопа.

В основе СТМ лежит эффект туннелирования - преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия меньше высоты барьера.эффект туннелирования

игла образец Пьезо-двигатели

р x, р y, р z - пьезоэлементы; - туннельный вакуумный промежуток между острием-зондом и образцом; I t - туннельный ток

Рассмотрим модельную систему зонд – поверхность, которая поможет нам понять устройство СТМ: Рис. 2 Система зонд – поверхность Две потенциальные ямы разнесены на расстояние Δz. Глубина до уровня самого энергетичного электрона в зонде – V. Если на таком же уровне есть электрон на образце, то электрону с иглы некуда будет туннелировать. V ΔzΔz

Теперь рассмотрим случай, когда между иглой и образцом приложено напряжение. Рис. 3 Система зонд – поверхность при приложенном напряжении Теперь электроны могут протуннелировать вакантные уровни.

Туннельный ток в таком случае описывается выражением: где

Основными методами СТМ являются методы Постоянного Тока и Постоянной Высоты для получения данных о рельефе. В СТМ напряжение смещения прикладывается между остроконечной проводящей иглой и проводящим образцом. В результате когда образец приближается к острию на расстояние порядка нескольких ангстрем, между ними начинает протекать туннельный ток, что с очень большой точностью указывает на близость острия к образцу. Метод Постоянного Тока (МПТ) предполагает поддержание в процессе сканирования постоянной величины туннельного тока с помощью системы обратной связи. При этом вертикальное смещение сканера (сигнал обратной связи) отражает рельеф поверхности. СТМ позволяет получать истинное атомарное разрешение даже в обычных атмосферных условиях. Скорость сканирования в МПТ ограничивается использованием системы обратной связи. Большие скорости сканирования могут быть достигнуты при использовании Метода Постоянной Высоты (МПВ). Постоянного Тока Постоянной Высоты Метода Постоянной Высоты

Измеряя «туннельный» ток и поддерживая его постоянным, можно сохранять постоянным и расстояние между иглой и поверхностью. Это позволяет строить объёмный профиль поверхности. В отличие от атомно-силового микроскопа, сканирующий туннельный микроскоп может изучать только поверхности металлов или полупроводников

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.

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 атомно гладких острый- зондов и их диагностика.

Основная область применения СТМ - физика поверхности твердых тел.

Среди недостатков СТМ можно упомянуть : сложность интерпретации результатов измерений некоторых поверхностей, с его помощью можно изучать только материалы, хорошо проводящие электрический ток.