Лекционный курс «Физические основы измерений и эталоны» Раздел ИЗМЕРЕНИЯ В НАНОТЕХНОЛОГИЯХ Тема ЗОНДОВЫЕ МИКРОСКОПЫ. СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП.

Сканирующий туннельный микроскоп Г. Бинниг и Х. Рорер, (IBM Цюрих) в 1986 г. получили Нобелевскую премию по физике «за разработку сканирующего туннельного микроскопа" Rohrer Binnig

СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП

Сканирующий туннельный микроскоп STM-TOKAMAK-2 РНЦ «Курчатовский институт»

ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ Падение пучка электронов на прямоугольный потенциальный барьер высотой U 0, при котором полная энергия частиц E

ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ Решение волнового уравнения слева от барьера - сумма падающей и отраженной волн: Решение справа от барьера – прошедшая волна Решение в области барьера: Квадрат модуля – коэффициент прозрачности барьера:

ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ Для электронов на уровне Ферми вероятность прохождения через потенциальный барьер (величина туннельного тока ) : ЗОНД

( ОБРАТНЫЙ ) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ Возникновение механических деформаций ( в полярных диэлектриках ) под действием электрического поля В природных пьезоэлектриках (кварц, турмалин) величина пьезоэффекта мала

ИСКУССТВЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЬЕЗОКЕРАМИК Например, на основе титаната бария BaTiO 3 В сегнетоэлектриках – области спонтанной поляризации (домены Вейса) До обработки домены ориентированы хаотически При высокой температуре в электрическом поле Остаточная поляризация пьезокерамики + -

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ЗОНДА Пластина из пьезокерамики во внешнем электрическом поле Трубчатый пьезоэлемент Сканирующий элемент в виде трипода, собранный на трубчатых пьезоэлементах

Перемещение зонда с помощью пьезопривода Перемещение зонда с помощью пьезопривода ЗОНД Растровое сканирование с точностью смещения ± 0.05 Å

Два режима сканирования 1. Режим постоянного тока

Два режима сканирования 2. Режим постоянной высоты

Блок-схема сканирующего туннельного микроскопа Пьезокристаллы Напряжение на пьезокристаллах Потенциал зонда ЗОНД Усиление туннельного тока Управление сканированием Построение изображения Образец

ОДИН рабочий атом на острии зонда !! d 6 Å I t уменьшается в 10 раз при увеличении d на 1 Å.

Изображение держателя и зонда Изображение зонда из SiO 2

Расположение атомов на поверхности монокристалла кремния

Атомы йода на поверхности платины в сканирующем туннельном микроскопе Отсутствует атом йода

Полированная поверхность медной детали в сканирующем туннельном микроскопе

Изображение углеродной нанотрубки в СТМ Диаметр нанотрубки – 1,2 нм

Атомы Fe на кристалле Cu(111) при 4К формируют «квантовый коралловый риф диаметром 14,3 нм. На изображении отражены изменения плотности электронных состояний. Двумерная квантовая яма (электронные потенциальные поверхности)

Микро- механическая сборка в СТМ (молекулы СО на платине)

Микро-механическая сборка в СТМ (атомы ксенона на никеле)

КОНЕЦ ЛЕКЦИИ