Что такое "Наноэлектронная элементная база информатики"? Как "увидеть" наноразмерные элементы?

Сканирующий туннельный микроскоп

Довести разрешающую способность до субнанометрового, атомарного уровня удалось с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ, англ. scanning tunnelling microscope, STM), созданного в 1981 г. Вместо остро сфокусированного электронного пучка здесь для исследования используют очень остро заточенный вольфрамовый зонд, острие которого поддерживают на очень малом (порядка 0,1-5 нм) расстоянии от поверхности электропроводящего образца ( рис. 1.3, слева). Зонд формируют из вольфрамовой проволоки диаметром 200 мкм путем многоступенчатого электрохимического травления. Микрофотография острия такого зонда показана на рис. 1.3 в центре. Для поддержания зонда на заданном очень малом расстоянии от поверхности образца используют обратную связь по туннельному току и прецизионное перемещение зонда с помощью пьезоэлектрика.

Энергетическая диаграмма контакта между зондом и образцом показана на рис. 1.3 справа. Здесь вдоль вертикали отложена энергия, вдоль горизонтали – расстояние от острия зонда. Через обозначен уровень энергии Ферми в вольфраме; через – уровень энергии Ферми в материале исследуемого образца; через – работа выхода электронов из вольфрама в вакуум; через – небольшое электрическое напряжение, приложенное между образцом и зондом.

Квантово-механический расчет вероятности туннелирования электронов из зонда в образец показывает, что "прозрачность" вакуумного барьера и туннельный электрический ток сильно зависят от расстояния между зондом и образцом, – приблизительно как экспонента

где – постоянная Планка, – масса электрона. Зависимость эта очень резкая, и уже небольшие изменения расстояния между зондом и образцом приводят к значительным изменениям электрического тока (напр., в 10 раз при изменении расстояния на 0,1 нм).

Вольфрамовый зонд механически крепят к монокристаллу кварца, который, будучи пьезоэлектриком, изменяет свой размер при приложении электрического напряжения. Схему обратной связи настраивают таким образом, чтобы при возрастании туннельного тока относительно заданного значения кварц изменялся в своем размере так, что зонд немного отдаляется от образца, а при уменьшении туннельного тока – чтобы зонд приближался к поверхности образца. Благодаря такой отрицательной обратной связи острие зонда автоматически поддерживается на заданном очень малом (порядка единиц нанометра) расстоянии от поверхности образца. А напряжение на монокристалле кварца пропорционально положению зонда по вертикали. Такой режим работы называют режимом постоянного тока.

Функциональная схема СТМ показана на рис. 1.4. Исследуемый образец (Обр) закрепляют на координатном столе (КC) и электрически соединяют проводником со схемой обратной связи (1). Остро заточенный вольфрамовый зонд крепится к зондовой головке (ЗГ) через пьезоэлектрический привод (ППz).

Сначала зонд находится на значительном расстоянии от образца. Когда на схему (1) поступает стартовый сигнал от персонального компьютера (ПК), схема (1) подает на ППz напряжение, благодаря которому зонд приближается к поверхности образца до тех пор, пока сквозь него не потечет туннельний ток заданной величины. При этом движение зонда по вертикали прекращается. Точность позиционирования по вертикали составляет 10-50 пм.

Зондовая головка (ЗГ) прикреплена еще к двум пьезоэлектрическим приводам (ППx и ППy), которые обеспечивают возможность точного (с шагом порядка 10 пм) перемещения зонда вдоль осей координат Х и Y. Более грубое перемещение исследуемого образца относительно зонда на значительные расстояния обеспечивает координатный стол (КC) с электромеханическим приводом (2). Траекторию движения зонда вдоль поверхности образца задает компьютер, который подает на схему (3) координаты точки, в которую надо переместить зонд. Схема 3 вырабатывает и подает на пьезоэлектрические приводы ППx и ППy соответствующие напряжения, и зонд начинает плавно перемещаться вдоль горизонтали относительно образца. Если поверхность образца имеет определенный рельеф, то при перемещении изменяется расстояние между ней и зондом. Соответственно изменяется и туннельний ток . Благодаря схеме обратной связи 1 зонд несколько поднимается или опускается, – так чтобы расстояние между ним и поверхностью образца оставалось постоянным. При этом величина напряжения, которое подается на пьезоэлектрический привод ППz, "отслеживает" изменения рельефа поверхности исследуемого образца с точностью 10-50 пм. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует величину этого напряжения в цифровые коды, которые передаются в компьютер. В памяти последнего накапливается массив данных, в котором каждой точке (x, y) ставится в соответствие высота z расположения зонда и, следовательно, высота рельефа исследуемого образца.

Если сканирование поверхности образца зондом происходит вдоль какой-нибудь линии, то на монитор (М) может быть выведена профилограмма этой линии. Если сканирование происходит в виде растра, то на мониторе М может быть отображен весь рельеф исследуемой области образца, – то ли в виде черно-белого или цветного топографического изображения, на котором каждой высоте отвечает свой уровень серого или свой цветной тон (в соответствии с избранной палитрой), то ли в виде линий равной высоты. При наличии программного обеспечения трехмерной графики на монитор можно выводить и соответствующее вычисленное 3D-изображение рельефа, которое вдобавок можно рассматривать как бы с разных сторон, изменяя направление освещения условным источником света и направление наблюдения.

Разрешающая способность СТМ по координатам (x, y) определяется в основном размерами острия зонда и его расстоянием от исследуемой поверхности. С помощью СТМ впервые стало возможным прямое наблюдение атомного строения вещества.

Ограничением СТМ является возможность исследовать лишь электропроводящие образцы – металлы, полупроводники, сверхпроводники.