Способ определения топографии поверхности вещества посредством сканирующего туннельного микроскопа

 

Относится к области приборостроения, в частности к сканирующей туннельной микроскопии, используемой для исследования поверхности проводящих веществ. Способ определения топографии поверхности вещества посредством сканирующего туннельного микроскопа заключается в том, что поверхность исследуемого вещества сканируют металлической иглой в режиме постоянного туннельного тока, для чего в каждой точке сканирования производят вертикальное перемещение иглы относительно исследуемой поверхности так, чтобы туннельный ток в каждой точке сканирования равнялся величине туннельного тока в первой точке сканирования, при этом данные о микроструктуре поверхности исследуемого вещества получают, регистрируя перемещение иглы, дополнительно каждую точку сканирования посредством сканирующего туннельного микроскопа после установления иглы в положение, соответствующее необходимой величине туннельного тока, зондируют СВЧ сигналом при помощи металлической иглы сканирующего туннельного микроскопа, установленной в вершине конической поверхности коаксиального СВЧ резонатора, в который помещают исследуемое вещество, регистрируют изменения СВЧ сигнала, определяют диэлектрическую проницаемость исследуемого вещества, по которой и по данным, полученным посредством сканирующего туннельного микроскопа формируют картину топографии исследуемого вещества. 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, к сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), используемой для исследования поверхности проводящих веществ.

Известен способ определения топографии поверхности вещества, заключающийся в том, что над поверхностью образца сканируют металлической иглой, измеряя при этом емкость между острием иглы и поверхностью исследуемого вещества, регистрируют изменения этой емкости и по полученным данным строят картину топографии поверхности [1] Недостатком известного способа определения топографии поверхности вещества является недостаточно высокая разрешающая способность, обусловленная размером острия иглы и линейной зависимостью емкости от величины зазора. Кроме того, известный способ не позволяет исследовать свойства вещества в СВЧ диапазоне, в то время как поглощение веществом СВЧ колебаний позволяет получить дополнительную информацию о внутренней структуре исследуемого образца.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения топографии поверхности вещества, заключающийся в использовании для исследования поверхности вещества сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) [2] Недостатком способа-прототипа является то, что туннельный ток СТМ определяется не только топографией, но и химической структурой поверхности исследуемого объекта, а выделить составляющую, зависящую только от топографии поверхности, невозможно, из-за чего измерения, проводимые с помощью СТМ, не дают достоверных сведений о реальной поверхности. Кроме того, в случае исследования с помощью СТМ различных пленок (например диэлектрических), находящихся на поверхности проводящего материала, зависимость тока от напряжения не будет соответствовать реальному расстоянию от иглы до поверхности пленки, поскольку в данном случае измеряемый ток определяется плотностью потока электронов из проводящей подложки. При этом, даже если игла СТМ проникнет в диэлектрик, зависимость тока не будет отражать этот процесс. При отстаивании пленки от проводящей подложки картина будет еще сложней, поэтому при измерении диэлектрических пленок известный способ также не позволяет определять реальную топографию поверхности исследуемой пленки.

Целью изобретения является повышение достоверности измерений путем обеспечения возможности дополнительного исследования микроструктуры образца при локальном воздействии СВЧ сигнала, а также проведения исследования микросвойств веществ в СВЧ диапазоне.

Для достижения поставленной цели в известном способе исследования топографии поверхности вещества, заключающемся в том, что исследуемую поверхность сканируют металлической иглой в режиме постоянного туннельного тока, который поддерживают путем измерения этого тока и в соответствии с данными измерений перемещения иглы относительно исследуемой поверхности, а данные о микроструктуре поверхности исследуемого вещества получают, регистрируя перемещения иглы, дополнительно исследуют микроструктуру поверхности при помощи СВЧ сигнала, который подают на острие металлической иглы СТМ, при этом определяют диэлектрическую проницаемость исследуемого вещества в области острия иглы по его влиянию на распространение СВЧ сигнала.

Поставленная цель достигается также тем, что для определения локальной диэлектрической проницаемости (микросвойств вещества) используют коаксиальный СВЧ резонатор с конической поверхностью, острием которой является острие иглы СТМ, при этом в каждой точке сканирования определяют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) коаксиального СВЧ резонатора и по полученным данным строят картину микросвойств исследуемого вещества.

Технические решения, содержащие всю совокупность существенных признаков, изложенных в заявляемом способе и позволяющих получить указанный положительный эффект, в патентной и научно-технической литературе не обнаружены.

При реализации предложенного технического решения характеризующая его новая совокупность признаков обеспечивает появление нового качества - возможности уточнения микроструктуры поверхности вещества при наличии на поверхности диэлектрической пленки. Кроме того, применение СВЧ сигнала в совокупности с СТМ позволяет локально определять физические свойства микроповерхности и локально воздействовать СВЧ сигналом на определенные участки микроструктуры исследуемого вещества. Все вышеперечисленные свойства позволяет существенно повысить качество всех измерений.

Предлагаемый способ характеризуется следующей последовательностью действий: сканируют металлической иглой над поверхностью исследуемого объекта в режиме постоянного туннельного тока, при этом измеряют в каждой точке туннельный ток; перемещают иглу таким образом, чтобы туннельный ток был равен величине туннельного тока в первой точке сканирования; регистрируют необходимые для этого вертикальные перемещения иглы; излучают СВЧ сигнал через металлическую иглу, используя последнюю в качестве СВЧ микрозонда; по изменению условий распространения СВЧ сигнала в области острия иглы определяют локальную диэлектрическую проницаемость; cогласно полученным данным о микроструктуре поверхности и соответствующим им данным о локальной диэлектрической проницаемости (микросвойствах вещества) уточняют картину топографии поверхности исследуемого вещества.

Предлагаемый способ исследования микрообъектов вещества осуществляется следующим образом. К исследуемому объекту подводят вольфрамовую иглу с радиусом закругления острия не более 100 на расстояние менее 50 после чего на иглу подают напряжение около 100 мВ. При приближении иглы к образцу на расстояние менее 50 барьер между ними становится туннельно прозрачным, причем возникающий при этом туннельный ток будет иметь экспоненциальную зависимость от расстояния. Благодаря этому ток будет проходить не по всей площади острия иглы, а лишь с одной из микронеоднородностей или так называемого микроострия, что и определяет высокое разрешение метода туннельной микроскопии. В методе, являющемся прототипом, для исследования объекта иглу перемещают вдоль его поверхности, определяя высоту и размер ее неоднородностей по вертикальным перемещениям иглы, производимым с целью поддержания постоянной величины туннельного тока. В предлагаемом способе после этого установления иглы в положение, соответствующее необходимой величине туннельного тока, через острие иглы пропускают СВЧ сигнал. Для этого источником СВЧ колебаний возбуждают коаксиальный СВЧ резонатор с конической поверхностью, которая завершается острием иглы СТМ. Емкость между иглой и исследуемой поверхностью будет определяться величиной зазора и диэлектрическими свойствами вещества. Однако, производя СТМ измерения в режиме постоянного туннельного тока, иглу во всех точках сканирования устанавливают на одном расстоянии от поверхности. Следовательно, возможные изменения емкости зазора между иглой и поверхностью могут зависеть только от микросвойств поверхности исследуемого вещества. Для определения емкости зазора снимают АЧХ СВЧ резонатора, в который включена эта емкость согласно описанным конструктивным особенностям. Регистрируют изменения емкости, после чего переходят к измерениям в следующей точке сканирования. Согласно полученным данным о микросвойствах поверхности исследуемого вещества, уточняют картину топографии поверхности, построенную с использованием способа-прототипа.

На чертеже представлена структурная схема одного из возможных вариантов устройства для реализации предлагаемого способа, где: 1 вольфрамовая игла; 2 СВЧ коаксиальный резонатор; 3 проводящая подложка; 4 блок сканирования; 5 блок управления сканированием; 6 наноамперный усилитель; 7 СВЧ генератор; 8 усилитель; 9 измеритель мощности СВЧ сигнала; 10 ЭВМ.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом: под металлической иглой 1, закрепленной на острие конической поверхности коаксиального СВЧ резонатора 2, на проводящей подложке 3, закрепленной в блоке сканирования 4, размещают исследуемое вещество. При помощи сканирующего блока 4 и блока 5 управления сканированием проводящую подложку 3 с исследуемым веществом устанавливают на расстоянии около 50 от острия иглы 1, используя при этом измерения туннельного тока, который для этого усиливают в наноамперном усилителе 6 и подают на блок управления 5. После этого производят последовательное сканирование поверхности исследуемого образца. При этом в каждый точке сканирования вначале производят вертикальное перемещение образца относительно иглы 1 с целью установления необходимой постоянной величины туннельного тока, регистрируют эти перемещения для построения картины топографии поверхности, после чего при помощи источника СВЧ колебаний 7 возбуждают СВЧ резонатор 2, принимают СВЧ сигнал на выходе объемного резонатора 2, усиливают этот сигнал в СВЧ усилителе мощности 8 и измеряют его мощность при помощи измерителя мощности 9. Далее, последовательно изменяя частоту генерируемых СВЧ колебаний, получают АЧХ СВЧ резонатора 2 в данной точке сканирования. Регистрируют полученные таким образом данные в памяти ЭВМ 10 и переходят к измерениям в следующей точке сканирования. На основе полученных данных при помощи ЭВС 10 строят картину топографии исследуемой поверхности с учетом распределения по поверхности микросвойств вещества.

Формула изобретения

Способ определения топографии поверхности вещества посредством сканирующего туннельного микроскопа, заключающийся в том, что поверхность исследуемого вещества сканируют металлической иглой в режиме постоянного туннельного тока, для чего в каждой точке сканирования производят вертикальное перемещение иглы относительно исследуемой поверхности так, чтобы туннельный ток в каждой точке сканирования равнялся величине туннельного тока в первой точке сканирования, при этом данные о микроструктуре поверхности исследуемого вещества получают, регистрируя перемещение иглы, отличающийся тем, что каждую точку сканирования посредством сканирующего туннельного микроскопа после установления металлической иглы в положение, соответствующее необходимой величине туннельного тока, дополнительно зондируют СВЧ-сигналом при помощи металлической иглы сканирующего туннельного микроскопа, установленной в вершине конической поверхности коаксиального СВЧ-резонатора, в который помещают исследуемое вещество, регистрируют изменения СВЧ-сигнала, определяют диэлектрическую проницаемость исследуемого вещества, по которой и по данным, полученным посредством сканирующего туннельного микроскопа, формируют картину топографии исследуемого вещества.

РИСУНКИ

Рисунок 1