Добавлен: 06.02.2019
Просмотров: 15941
Скачиваний: 9
121
ков гетерогенного материала на качественном уровне во многих случаях также являет-
ся достаточно информативным. Положение ступеньки на C–U зависимостях может
быть использовано для приближенного определения величины ∆φ , например, путем
нелинейной аппроксимации участка кривой, отвечающего запертому состоянию, по
уравнению
s
K
C
C
U
=
+
∆φ−
(56)
с тремя варьируемыми параметрами: ∆φ , K и C
s
(нескомпенсированная паразитная ем-
кость головки микроскопа) (рис. 88). Нужно, однако, отдавать себе отчет в том, что в
реальности зазор туннельного микроскопа представляет собой структуру ме-
талл/изолятор/полупроводник, для которой емкость обедненного слоя описывается су-
щественно более сложными уравнениями [593].
-2
-1
0
1
2
0
10
20
30
40
50
60
диод заперт
диод открыт
C
, пФ
U, В
Рис. 85. Зависимость емкости цепи, включающей np-переход коммерческого диода
1N4001, от напряжения.
-3
-2
-1
0
1
2
35
36
37
38
39
40
41
∆
C
, фФ
U, В
а
-3
-2
-1
0
1
2
27.0
27.5
28.0
28.5
29.0
29.5
∆
C
, фФ
U, В
б
Рис. 86. Зависимости изменения емкости туннельного зазора от напряжения для об-
разца кремния (а) и керамики SnO
2
(см. раздел 3.1) (б) c n-типом проводимости, заре-
гистрированные в конфигурации ex situ.
122
-2
-1
0
1
2
72.8
73.0
73.2
73.4
73.6
73.8
74.0
∆
C
, фФ
U, В
Рис. 87. Емкость при различных напряжениях головки туннельного микроскопа, из-
меренная в условиях отвода зонда.
-1
0
1
2
3
26.0
26.5
27.0
27.5
28.0
28.5
∆
C
, фФ
U, В
Рис. 88. Результат нелинейной аппроксимации C–U зависимости, полученной на кера-
мическом образце SnO
2
(см. раздел 3.1) с n-типом проводимости, по уравнению (56)
(K = 1.2 фФ,
∆φ
=0.65 В, C
s
= 25.8 фФ).
Значительное изменение общей емкости при изменении взаиморасположения зон-
да и образца делает невозможным однозначную компенсацию «геометрической» со-
ставляющей и выделение вклада емкости непосредственно туннельного зазора. Тем не
менее, при измерениях в различных точках поверхности одного и того же образца с ис-
пользованием одного и того же зонда вклад геометрической емкости может считаться
постоянным, и изменения в суммарной измеряемой емкости (как и изменения диффе-
ренциального сопротивления) должны отражать изменение в структуре туннельного
зазора и свойствах материала вблизи зонда. Таким образом, предложенная методика
может быть в первую очередь востребована при картировании свойств гетерогенных
материалов на наноуровне. Ранее аналогичный подход (также с использованием
средств цифровой обработки сигнала) был предложен в [258]. Высокая локальность
дифференциального картирования подтверждается возможностью получения атомар-
ного разрешения на HOPG при измерении как по каналу dI/dU, так и dI/dH (рис. 89).
Продолжительность измерения кадра при дифференциальном картировании несколько
123
больше, чем при измерении в обычном топографическом режиме, так как в каждой
точке кадра необходимо провести накопление большого массива данных для БПФ. По-
этому атомарные изображения существенно искажены за счет механического дрейфа
образца. Тем не менее, атомарная структура четко прослеживается на всех изображени-
ях. Удивительным является тот факт, что атомарный контраст на канале сдвига фаз ве-
личины dI/dU значительно выше, чем на канале амплитуды dI/dU, а также по сравне-
нию с обычным топографическим каналом (рис. 90). Ранее в [258] на основании не-
большого количества изображений с значительно худшим разрешением были сделаны
аналогичные выводы. Величина сдвига фаз характеризует отношение вкладов диффе-
ренциального сопротивления и емкости туннельного зазора в общий ток. При сниже-
нии вероятности туннелирования (в области «провала» между «атомами») наклон
вольтамперной кривой также снижается и, следовательно, синфазная величина dI/dU
уменьшается. Это должно приводить к увеличению вклада емкостной составляющей
тока, и, соответственно, сдвига фаз dI/dU. Таким образом, карта сдвига фаз должна
иметь обратный контраст, по сравнению с амплитудной дифференциальной картой и
топографическим изображением. Внимательный анализ рис. 90 подтверждает эти пред-
положения.
Как было показано в главе 1, величина нормированной проводимости dI/dU/(I/U)
характеризует локальное электронное строение исследуемого материала (профиль
LDOS). При квазитопографическом картировании величины dI/dU одновременно с из-
мерением топографического изображения для всех точек поверхности U=const и
I=const. Поэтому регистрируемые изменения синфазной составляющей величины dI/dU
непосредственно характеризуют различия величины dI/dU/(I/U), то есть определяются
природой материала под зондом (его электронным строением). При регистрации ам-
плитуды и сдвига фаз величины dI/dU соответствующие изменения должны проявлять-
ся на обоих квазитопографических изображениях. Поверхность HOPG характеризуется
«гигантской складчатостью LDOS» на атомарном уровне, снижающейся при увеличе-
нии туннельного напряжения [34, 594]. Эти особенности высокоориентированного пи-
рографита и обеспечивают простоту получения на нем атомарного топографического
разрешения даже в ex situ условиях. Они же, вероятно, лежат в основе появления ато-
марного контраста на дифференциальных картах. Однако столь яркий контраст также
на канале сдвига фаз вряд ли может быть объяснен небольшим изменением дифферен-
циального сопротивления туннельного зазора. Этот вопрос требует дальнейших иссле-
дований, как и резкий скачок измеряемой емкости зазора при появлении туннельного
тока (рис. 80).
124
a
б
в
г
д
е
ж
Рис. 89. Изображения поверхности базисной грани высокоориентированного пирографита, полу-
ченные в обычных топографических измерениях (a); зарегистрированные одновременно обычное
изображение (б, д), изображение по амплитуде (в, е) и по фазовому сдвигу (г, ж); канал dI/dU
(18 кГц, амплитуда 25 мВ) (в, г) и канал dI/dH (18 кГц, амплитуда 0.1 нм) (е, ж).
а
б
в
Рис. 90. Профиль вдоль линии сканирования для каналов рельефа (а), амплитуды
дифференциального сигнала dI/dU (б) и сдвига фаз (в) для одновременно зарегистри-
рованных изображений с атомарным разрешением на HOPG (см. рис. 89бвг).
125
Чувствительность дифференциального сигнала к локальной электронной структуре
образца (а, следовательно, к его локальному фазовому и химическому составу) открывает
возможности использования этого метода для детектирования локальных фрагментов
поверхности, отличающихся по своему составу или свойствам. На рис. 91 показаны то-
пографическое изображение атомарных ступеней монокристала SnSe и регистрируемый
сдвиг фаз величины dI/dU. Отсутствие изменения фазового сдвига при изменении поло-
жения зонда по высоте подтверждает сформулированную выше гипотезу о том, что ем-
кость измерительной головки не изменяется в ходе измерения единичного кадра. В слу-
чае гетерогенного образца (для примера на рис. 92 показаны результаты визуализации
кластеров меди, электроосажденных на высокоориентированный пирографит) изменение
сдвига фаз dI/dU отражает изменение природы вещества под зондом. Более сложный
случай показан на рис. 93. На первый взгляд, наблюдаемая наноструктура представляет
собой протяженный двумерный кластер на поверхности пирографита, а на поверхности
кластера располагаются продукты вторичной нуклеации и роста какой-то иной фазы.
Однако квазитопографические переменно-токовые измерения (рис. 93б) позволяют за-
ключить, что в действительности визуализирована чешуйка пирографита (отсутствие фа-
зовых сдвигов), на поверхности которой происходит осаждение посторонней фазы.
а
б
Рис. 91. СТМ изображение (а) и квазитопографическое изображение сдвига фаз dI/dU
(б) для монокристалла SnSe.
а
б
Рис. 92. СТМ изображение (а) и квазитопографическое изображение сдвига фаз dI/dU
(б) для кластеров меди, электроосажденных на высокоориентированный пирографит.