Сканирующая туннельная микроскопия

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) является одной из разновидностей сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), к которой также относится сканирующая туннельная микроскопия (СТМ). Исторически АСМ появилась как модификация СТМ — она позволяла проводить измерения не только проводящих образцов.

Принцип сканирующей туннельной микроскопии заключается в приложении напряжения смещения между остроконечной проводящей иглой и проводящим образцом и регистрации туннельного тока между ними. Когда образец приближается к острию на расстояние порядка нескольких ангстрем (А), между ними начинает протекать туннельный ток, что с очень большой точностью указывает на близость острия к образцу.

СТМ позволяет получать истинное атомарное разрешение даже в обычных атмосферных условиях. Эта методика может быть применена для изучения проводящих поверхностей или тонких непроводящих пленок и малоразмерных объектов на проводящих поверхностях.

Рисунок 1 — Сканирующая туннельная микроскопия: а) метод постоянной высоты б) метод постоянного тока

Основными методами в СТМ являются метод постоянного тока (МПТ) (рисунок 1.б) и метод постоянной высоты (МПВ) (рисунок 1.а).

Метод постоянного тока предполагает поддержание в процессе сканирования постоянной величины туннельного тока с помощью системы обратной связи. В таком случае вертикальное смещение сканера (сигнал обратной связи) отражает рельеф поверхности. Скорость сканирования в МПТ ограничивается использованием системы обратной связи. Большие скорости сканирования могут быть достигнуты при использовании метода постоянной высоты, однако МПВ не позволяет исследовать образцы с развитым рельефом в отличии от МПТ.

Рисунок 2 — Сканирующая туннельная микроскопия монокристаллического графенового зерна на Cu:

(а) Изображение топографии СТМ, полученное вблизи угла графенового зерна на Cu. Пунктирные линии отмечают края этого зерна;

(b-d) Топографические изображения СТМ с атомным разрешением (отфильтрованные для улучшения контраста), полученные из 3 разных областей зерна, как указано на (а). Зеленый (б), черный (с) и белый (d) квадрат

(Источник: Yu Q. K. et al. Single-Crystal Grains and Grain Boundaries in Graphene Grown by Chemical Vapor Deposition //arXiv preprint arXiv:1011.4690. – 2010.)

Характерные значения туннельных токов, регистрируемых в процессе измерений, являются достаточно малыми – вплоть до 0.03 нA (а со специальными измерительными СТМ головками – до 0.01 нA), что позволяет также исследовать плохо проводящие поверхности, в частности, биологические объекты.

К недостаткам СТМ можно отнести сложность интерпретации результатов измерений некоторых объектов, поскольку СТМ-изображение определяется не только рельефом поверхности, но также и плотностью состояний, величиной и знаком напряжения смещения, величиной тока. Например, на поверхности высокоориентированного пиролитического графита обычно можно увидеть только каждый второй атом. Это связано со спецификой распределения плотности состояний.