Добавлен: 06.02.2019
Просмотров: 15908
Скачиваний: 9
46
данных, получаемых этим методом [226, 227]. С целью улучшения стабильности и чув-
ствительности измерений (до единиц мкВ) в работах [228, 229] было предложено про-
водить измерения в стандартном режиме при малых туннельных напряжениях (когда
зависимость I(U) приблизительно линейна), пренебрегая искажением топографических
данных из-за различий локальных потенциалов (так как с учетом экспоненциальной за-
висимости I(H) вклад этого эффекта невелик). Для оценки величины локального потен-
циала в каждой точке петля обратной связи размыкалась, и измерялся туннельный ток
при нулевом туннельном напряжении. Линейная экстраполяция по двум точкам позво-
ляет определить величину U(I=0), отвечающую локальному потенциалу. В работе [230]
эти подходы были объединены, при этом система обратной связи микроскопа работала
в условиях отсутствия поляризации вдоль образца, а затем производилось измерение
локального потенциала путем обнуления туннельного тока и наложения переменной
модуляции вдоль поверхности образца с последующим синхронным детектированием.
Это позволило дополнительно повысить чувствительность до долей микровольта.
Рис. 22. Схема работы СТМ в режиме потенциометра. I — интегратор, LI, LG, PI —
цепь обратной связи, включающая синхронный усилитель, логарифмический усили-
тель и управляющий регулятор петли обратной связи [224].
С использованием вышеописанных подходов были исследованы гетероструктуры
металл/изолятор/металл [224, 225], полупроводниковые гетероструктуры [226, 227], ме-
таллические сплавы с высоким сопротивлением [228–230] (рис. 23). Метод доказал ра-
ботоспособность и высокую локальность, однако, как уже отмечалось выше, дальней-
шего развития он не получил.
47
Рис. 23. Топографические (а, в) и потенциометрические (б, г) изображения поверхно-
сти пленки из сплава Au
60
Pd
40
, измеренные при наложении поля 85 (а, б) и –85 В/см (в,
г) (направление поля показано стрелками). Размер кадра 24х25 нм. Перепад потенциа-
ла на потенциометрических картах составляет 450 мкВ [229].
1.1.3.3. Микроволновая сканирующая микроскопия
Существенным недостатком метода сканирующей туннельной микроскопии явля-
ется возможность изучения лишь материалов с электронной проводимостью. Одним из
вариантов преодоления этого ограничения, по крайней мере для тонких изолирующих
пленок (до 100 нм), является высокочастотная (0.3-3 ГГц) модуляция туннельного зазо-
ра с использованием результирующего переменного тока в качестве разностного сигна-
ла для петли обратной связи микроскопа [231, 232]. Высокая геометрическая емкость
измерительной системы неизбежно приводит к тому, что переменная составляющая то-
ка на частоте возбуждения практически не зависит от изменения структуры туннельно-
го зазора. В то же время, ток в туннельном зазоре характеризуется существенной нели-
нейностью, причинами которой могут быть кулоновская блокада после переноса пер-
вых электронов на поверхность изолятора, неравномерность LDOS образца, присутст-
вие полярных молекул, деформация зонда и образца в сильном электрическом поле.
Это приводит к появлению в спектре тока сигналов второй, третьей и высших гармо-
ник, интенсивность которых определяется лишь строением туннельного зазора. Путем
варьирования амплитуды и частоты возбуждающего сигнала и регистрации результи-
рующего спектра в широком интервале частот при использовании широкополосного
микроскопа [233] можно разделить вклады в нелинейный отклик всех вышеперечис-
ленных факторов и получить информацию о природе молекул, находящихся в зазоре.
Как правило, для контроля положения зонда используется третья гармоника (сигнал на
утроенной частоте возбуждения). Кроме того, при исследовании хорошо проводящих
образцов иногда используют картирование интенсивности высших гармоник в стан-
а
б
в
г
48
дартном СТМ режиме постоянного туннельного тока. Аппаратно, детектирование и
усиление высокочастотного сигнала осуществляется, как правило, с помощью объём-
ного резонатора, с которым сопрягается (либо внутрь которого устанавливается) тун-
нельно-микроскопическая головка.
В литературе данный метод называют AC-STM (alternating-current scanning tunnel-
ing microscopy) [231, 233–237] или SSHM (scanning surface harmonic microscopy) [232,
238–240]. В пионерских работах [231, 232, 241] были продемонстрированы возможно-
сти метода на примере тонких пленок изоляторов: оксида алюминия, тонких полимер-
ных пленок и жидких кристаллов; полупроводников (оксида меди, селенида вольфрама
и др.). Как было показано в [231, 232] на примере золотого электрода, для металличе-
ских образцов существенной генерации высших гармоник не наблюдается. Для высо-
коориентированного пирографита (HOPG) зависимости туннельного тока и интенсив-
ностей второй и третьей гармоник от расстояния до поверхности очень близки. Уже в
[233, 235, 236] было продемонстрировано атомарное разрешение на HOPG, полученное
этим методом (рис. 24). Метод также привлекался для подтверждения высокой прово-
димости молекулярных нанопроволок в составе самоорганизующихся монослоев [242].
Для полупроводников сигнал высших гармоник появляется при расстояниях меж-
ду зондом и образцом в несколько сотен нанометров. Причиной этого является пере-
стройка обедненной зоны в полупроводнике вблизи зонда в переменном поле, что не-
избежно приводит к изменению емкости этой зоны ( ( ) const
C V ≠
), и, следовательно, к
появлению нелинейности и генерации высших гармоник токового сигнала [232, 238–
241]. Это позволяет с помощью обсуждаемого метода получать информацию о локаль-
ном распределении носителей заряда в гетерогенном полупроводниковом материале.
«Дальнодействующая» емкостная составляющая нелинейного отклика характеризуется
невысокой локальностью, и, как правило, не позволяет получать СТМ-изображения с
высоким разрешением. Тем не менее, в случае достаточной проводимости материала,
дальнейшее приближение зонда к поверхности приводит к переходу в туннельный ре-
жим (к появлению туннельного тока) и резкому росту чувствительности метода. В та-
ком режиме нелинейный отклик, в первую очередь, определяется нелинейностью тун-
нельной вольтамперной характеристики [237]. Источником топографического контра-
ста в случае тонких пленок диэлектриков на поверхности полупроводника становится,
как правило, изменение емкости туннельного зазора из-за присутствия материала с
иной диэлектрической проницаемостью, а источником нелинейного сигнала является
полупроводниковая подложка [238].
49
Рис. 24. Атомарная структура HOPG зарегистрированная в стандартном режиме
постоянного тока (а) и полученная одновременно карта интенсивности
микроволнового излучения (б). Топографическое изображение, полученное в режиме
постоянства интенсивности микроволнового сигнала (в) [236].
1.1.3.4. Емкость туннельного зазора
Синусоидальная модуляция напряжения туннельного зазора и использование
синхронного усилителя позволяет оценивать не только величину локальной проводи-
мости материала (переменная составляющая тока, имеющая нулевой сдвиг фаз), но и
емкость туннельного зазора (сдвиг фаз 90
о
), а точнее, всей измерительной системы.
При изучении зависимости емкости зазора от расстояния зонд/образец [243–247] было
показано, что основную часть измеряемой емкости составляет геометрическая емкость
измерительной головки микроскопа, составляющая обычно около 0,2-0.5 пФ. Согласно
классической электростатике, электрическая емкость конденсатора, представляющего
собой сферу радиуса r на расстоянии H от бесконечной заряженной плоскости (H<r)
[248] равна
0
8
2
ln
r
C
r
H
⎛
⎞
= πε ⋅ ⎜ ⎟
⎝
⎠
. (37)
Экспериментальные данные [243–246] как для полупроводниковых материалов,
так и для Au(111) свидетельствуют о нелинейном характере зависимости C-ln H (рис.
25). С уменьшением диаметра кончика зонда диапазон изменения емкости на C- ln H
зависимостях сужается [245, 246]. Выраженных различий в форме этих зависимостей
для образцов Si с разным типом проводимости и при различных напряжениях не обна-
ружено [243, 244], что свидетельствует о незначительности вклада емкости обедненно-
го слоя, формирующегося в полупроводнике под зондом (возможно, из-за высокой
плотности поверхностных состояний, экранирующих объем полупроводника от элек-
трического поля [36]). Снижение наклона зависимости на малых расстояниях отвечает
снижению эффективного радиуса зонда (r
eff
) в связи с концентрацией электрического
поля на его острие, усиливающегося по мере уменьшения расстояния зонд/образец. В
а
б
в
50
случае использования острых зондов с малым радиусом острия, на больших расстояни-
ях в формировании емкости участвует и боковая поверхность зонда (r
eff
> r), и лишь при
H<r происходит переход к классическому поведению, описываемому уравнением (37)
[246]. В случае «тупого» зонда с большим радиусом острия, на малых расстояниях из-
за усиления поля r
eff
< r, и классическое поведение наблюдается на больших расстояни-
ях. Формально из наклона зависимости C-ln H можно определить радиус кончика зон-
да, однако на практике этот метод неприменим, так как r
eff
значительно меняется с рас-
стоянием, и для корректного выбора области для аппроксимации необходимо незави-
симо определить радиус зонда. Корректное описание всей экспериментальной кривой
требует численного моделирования [246], однако, в первом приближении для кониче-
ского зонда [249] можно использовать соотношение
0
0
1 ln
D
C
C
P H
H
⎡
⎤
⎛ ⎞
=
−
+ ⎜ ⎟
⎢
⎥
⎝ ⎠
⎣
⎦
, (38)
где C
0
, P
0
и D — некоторые константы. Наблюдаемые экспериментальные зависимости
(рис. 25) хорошо описываются данным уравнением, однако анализ величин P
0
и D, свя-
занных с геометрическими параметрами зонда, не позволяет получить правдоподобные
значения.
а
б
Рис. 25. Зависимость емкости туннельного зазора от расстояния, полученные для раз-
личных граней монокристалла кремния (а) [243] и на Au(111) с использованием зон-
дов с кончиком разного диаметра (б) [246]. Сплошные линии — результат аппрокси-
мации по уравнению (29).
Обсуждавшиеся выше результаты были получены в отсутствие протекания тока
(на больших расстояниях). Косвенные оценки емкости на основании анализа вольтам-
перных кривых в условиях кулоновской блокады свидетельствуют о неклассическом
поведении емкости (снижение емкости на малых расстояниях) [250], а ее величина не