Добавлен: 06.02.2019
Просмотров: 15956
Скачиваний: 9
151
СТМ-изображения тест-системы на основе коллоидных частиц и поверхности HOPG,
полученные с использованием зонда, заостренного переменнотоковым методом при
напряжении 32 В. Радиус кривизны полученного острия составляет примерно 35–40 нм
(высота частицы 15 нм, ширина частицы 88 нм). При этом с высокой четкостью визуа-
лизируются как атомарные ступени золота (рис. 116б), так и ступеньки на поверхности
HOPG (рис. 116в). Перепад высот на вольтвысотной зависимости также не превышает
2 нм (рис. 116г) (примерно столько же, сколько удается получить с использованием
платино-иридиевых зондов). Все это указывает на отсутствие в зазоре посторонних ве-
ществ. Таким образом, на поверхность острия, получаемого переменнотоковым травле-
нием в этих условиях, практически отсутствует слой оксидов. Специальный статисти-
ческий анализ выхода высококачественных зондов при травлении не проводился. При
травлении в оптимальных условиях (напряжение около 32 В) практически все зонды
имеют радиус кривизны острия менее 100 нм. Тем не менее, при использовании поли-
кристаллической вольфрамовой проволоки профиль кончика (его округлость, симмет-
ричность) значительно изменяются от зонда к зонду.
0
10
20
30
40
50
60
0
100
200
300
400
500
600
| i
|,
мА
t, с
а
0
20
40
60
80
100
0
100
200
300
400
500
| i
|,
мА
t, c
б
в
Рис. 114. Зависимость среднего тока от времени в ходе травления зондов при наложе-
нии переменного напряжения 30 В (а) и 32 В (б) в 1М КОН. Максимум на кривой
отвечает появлению электрических разрядов между кончиком зонда и раствором на
заключительных этапах травления. Зависимость мгновенного тока от времени на за-
ключительных этапах травления (в) (анодному току отвечает положительная поляр-
ность).
152
Рис. 115. СТМ-изображения коллоидных частиц, полученные с использованием зон-
дов, изготовленных из технического поликристаллического вольфрама путем пере-
меннотокового травления в 1 М КОН при 18 (а) и 18.5 В (б).
а
б
в
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
-70.5
-70.0
-69.5
-69.0
-68.5
-68.0
H
, нм
U
тун
, В
г
Рис. 116. СТМ-изображения коллоидных частиц золота на поверхности Au(111) (а, б),
поверхности HOPG (в) и вольтвысотные зависимости (г) на Au(111), зарегистрирован-
ные с использованием зондов, полученных переменнотоковым травлением при 32 В.
153
При переходе к постояннотоковому режиму (рис. 117), продолжительность трав-
ления в 3М КОН возрастает до 10–20 мин. и достигает одного часа в 1М КОН. В этом
режиме удается получать зонды с радиусом кривизны острия менее 30 нм (см., напри-
мер, рис. 118б). Однако из рис. 118 хорошо видно, что качество получаемых СТМ-
изображений тест-системы значительно уступает тому, который удается достигнуть
при использовании переменнотокового режима травления. Изображения сильно размы-
ты, наблюдаются скачки и осцилляции, особенно вблизи коллоидных частиц. Атомар-
ные ступени золота практически не видны, надежно подвести без втыкания такой зонд
к поверхности HOPG не удается. Перепад высот на регистрируемых на золоте вольтвы-
сотных зависимостях составляет около 10 нм (что неплохо согласуется с литературны-
ми данными). Все это однозначно указывает на присутствие на поверхности зонда ок-
сидного слоя, толщина которого близка к 10 нм. Таким образом, несмотря на высокую
остроту, использовать такие зонды для прецизионных измерений не представляется
возможным. С учетом того, что при переменнотоковом травлении, образования толсто-
го слоя оксида не наблюдается, была предпринята попытка очистки поверхности таких
зондов путем кратковременной катодной поляризации в расплаве после окончания
процесса электрополировки. Было показано, что лишь в небольшом количестве случаев
(примерно 20%) наблюдается незначительное улучшение качества изображения, а пе-
репад высота на вольтвысотных зависимостях уменьшается до 5–7 нм (рис. 119). Обра-
ботка в конц. HF в течение нескольких минут приводит к существенному снижению
перепада высот на вольтвысотных зависимостях до 2–3 нм (рис. 120), что отвечает уда-
лению большей части оксидного слоя. Тем не менее, лишь в небольшом количестве
случаев удается получить СТМ-изображения, сравнимые по качеству с зарегистриро-
ванными с использованием зондов, полученных переменнотоковым травление (рис.
120б). Все это указывает на то, что удаление оксидного слоя происходит не полностью.
0
3
7
10
13
0
5
10
15
20
25
30
35
40
I,
мА
t, мин
Рис. 117. Зависимость тока от времени в ходе травления зонда при наложении посто-
янного напряжения 6 В в 3М КОН.
154
а
б
в
-2
-1
0
1
2
-64
-62
-60
-58
-56
-54
-52
-50
H
, нм
U
тун
, В
г
Рис. 118. СТМ-изображения коллоидных частиц золота на поверхности Au(111) (а, б, в)
и вольтвысотные зависимости на Au(111) (г), зарегистрированные с использованием
зондов, полученных постояннотоковым травлением.
а
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
-161
-160
-159
-158
-157
-156
-155
-154
H
, нм
U
тун
, В
б
Рис. 119. СТМ-изображения коллоидных частиц золота на поверхности Au(111) (а) и
вольтвысотные зависимости на Au(111) (б), зарегистрированные с использованием
зондов, полученных постояннотоковым травлением с последующей краткосрочной
катодной поляризацией.
155
а
б
в
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
H
, нм
U
тун
, В
г
Рис. 120. СТМ-изображения коллоидных частиц золота на поверхности Au(111) (а, б, в)
и вольтвысотные зависимости на Au(111) (г), зарегистрированные с использованием
зондов, полученных постояннотоковым травлением с последующей выдержкой в
конц. HF в течение 3-6 мин.
Таким образом, для проведения рутинных научно-исследовательских работ в ex
situ конфигурации можно использовать только зонды, полученные переменнотоковым
травлением вольфрамовой проволоки. Несмотря на лучшую достижимую остроту, зон-
ды, полученные в постояннотоковом режиме, неприменимы, так как формирующийся
оксидный слой с поверхности зонда не удается надежно удалить при последующей хи-
мической или электрохимической обработке. Тем не менее, даже полученные в пере-
меннотоковом режиме вольфрамовые зонды значительно уступают платиновым по сво-
ей стабильности: при увеличении напряжения в зазоре до ~1В (при анодной поляриза-
ции зонда) начинается его электрохимическое окисление, необратимая деградация ост-
рия (как правило, сопровождающаяся «втыканием» в поверхность), и получение каче-
ственных изображений становится невозможно. Диапазон рабочих напряжений, в кото-
рых может быть использован вольфрамовый зонд, не превышает 0.5В.