Электронная микроскопия

5.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ИОННЫХ МИКРОСКОПОВ

Методы зондирования поверхности  излучениями всё же не дают возможности  своими глазами увидеть её самые  малые участки. Для того, чтобы понять, что же происходит на поверхности, исследователям необходима карта точного расположения атомов и их электронных оболочек. Наблюдать отдельные атомы на поверхности позволяют ионные микроскопы. Это связано с тем, что длина волны движущегося в электрическом поле иона должна быть гораздо меньше, чем длина волны электрона, что подтверждается формулой Луи де Бройля -

λ = h/mv ,

ведь масса иона несоизмеримо больше массы покоя электрона.

В настоящее время (начало бурного развития наноэлектронных технологий) практически опробованы и постоянно модернизируются несколько типов ионных микроскопов, среди которых можно выделить полевой ионизационный микроскоп, растровый туннельный микроскоп и атомный силовой микроскоп. Ниже кратко рассмотрим первых два вида ионных микроскопов.

5.1ПОЛЕВОЙ ИОНИЗАЦИОННЫЙ МИКРОСКОП (ПИМ).

Основой прибора служит очень  тонкая и острая металлическая игла, являющаяся исследуемым образцом, а  также люминесцентный экран, расположенный напротив (рис. 12).

Рис. 12. Схема формирования изображения в полевом ионизационном  микроскопе

1 - образец исследуемого  материала (наконечник иглы); 2 - зона  ионизации;

3 - атом "изображающего"  газа; 4 - ион; 5 - расходящийся поток  ионов;

6 - заземлённый  флуорисцирующий экран; 7 - вспышка на экране;

8 - изображение  (совокупность вспышек)

Пространство между иглой  и экраном заполняется инертным газом (гелием, аргоном) при давлении 10^-1 Па. Если между кончиком иглы и экраном приложить напряжение, причём игла должна служить анодом, то вокруг неё можно создать чрезвычайно сильное электрическое поле - около 500 МВ/см². Когда электрически нейтральный атом вследствие диффузии подходит к атомам острия, электрическое поле ионизирует его. Этот ион под действием электрического поля направляется к той точке экрана, которая однозначно соответствует позиции атома исследуемого образца, вблизи которого произошла ионизация. Изображение иглы на флуоресцирующем экране характеризуется очень большим увеличением - отчётливо видны атомы кристаллической решётки. Поскольку ионы - это тяжёлые частицы, то длина их волны очень мала, вследствие чего исключаются дифракционные эффекты, снижающие разрешающую способность получаемых изображений.

При этом максимальное разрешение микроскопа определяется величиной  менее 0,2 нм.

Однако не все образцы  можно изучать с помощью ионного  микроскопа. Образец должен быть насажен  на тонкий кончик иглы шириной несколько  ангстрем и быть стойким к огромным электрическим полям, которые могут  привести к разрыву химических связей, удерживающих атомы на поверхности. Самые важные с технологической  точки зрения полупроводниковые  материалы можно изучать лишь при полях с плотностью около 350 МВ/см.

5.2.РАСТРОВЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП (РТМ).

Принцип работы РТМ сравнительно прост. Сканирующая металлическая  игла, закрепленная в трехкоординатном приводе P_X, P_Y, P_Z, расположена перпендикулярно исследуемой поверхности (рис. 13).

Рис. 13. Принцип  работы сканирующего туннельного микроскопа:

1 – игла; 2 –  исследуемая поверхность; 3 – трехкоординатный пьезопривод; 4 – система обратной связи

С помощью пьезопривода игла подводится к поверхности образца до возникновения туннельного тока I_T, который определяется величиной зазора s между иглой и поверхностью:

,

где Ф – величина потенциального барьера в зазоре, измеряемая в электронвольтах; U – напряжение, приложенное между иглой и образцом в вольтах; s – зазор между поверхностью и иглой в ангстремах.

При постоянном напряжении U на зазоре игла перемещается вдоль поверхности, причем с помощью системы обратной связи, воздействующей на пьезоэлемент P_Z, туннельный ток I_T поддерживают постоянным. Если величина барьера Ф постоянна вдоль исследуемой поверхности (материал поверхности однороден), то величина туннельного тока будет изменяться пропорционально величине зазора между иглой и поверхностью и график изменения этого тока будет описывать профиль рельефа поверхности. Набор таких профилей даст непосредственную информацию о топографии поверхности.

На рис. 14 представлены сравнительные  характеристики различных сканирующих  растровых микроскопов, а на рис. 15 и 16 – примеры изображений отдельных  групп атомов, построенных с помощью  РТМ.

Рис. 15. РТМ-изображение германиевой самосборки атомов (германиевая «пирамида» на кремнии) шириной 10 нм

Рис. 16. РТМ-изображение «квантового загона» - 48 атомов Fe по окружности диаметром 14,6 нм с движущимися внутри электронами (волновой рельеф) на медной пластине

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используемая литература:

1. М.Борн,Э.Вольф,  Основы оптики,  Москва, Наука, 1970,с.856 

2. Дж.Каули,  Физика дифракции,  Москва, Мир, 1990,с.432

3. Н.И.Калитеевский, 

Волновая оптика, 

Москва, Наука, 1971,с.376

1