Słowa kluczowe: mikroskop, ostrze, prąd tunelowy, próbka Łukasz Bednarz Sebastian Bednarz PROJEKT STUDENCKIEGO SKANINGOWEGO MIKROSKOPU TUNELOWEGO Skaningowy mikroskop tunelowy (STM) jest urządzeniem o bardzo dużych możliwościach. Jego głównym zadaniem jest badanie powierzchni przewodników i półprzewodników. Dzięki swojej konstrukcji STM potrafi dostrzec szczegóły powierzchni z rozdzielczością rzędu kilku nanometrów. Ze względu na bardzo precyzyjne pomiary powierzchni, przydatność mikroskopów jako urządzeń badawczych jest ogromna dla wielu gałęzi nauk ścisłych (fizyka, chemia, itp). Istotą STM jest ostra, przewodząca sonda. Między sondą a próbką przykłada się różnicę potencjałów. Kiedy sondę zbliży się na odległość około 1nm do powierzchni próbki, to wtedy zarówno elektrony z badanej próbki jak i elektrony z sondy zaczynają tunelować poprzez szczelinę oddzielającą oba te obiekty. Przeskok elektronu dokonuje się z próbki na sondę lub z sondy na próbkę w zależności od przyłożonego napięcia polaryzującego. Przesuwając sondę ponad badaną powierzchnią, system rejestruje zmiany prądu tunelowego w funkcji odległości ostrze-próbka, tworząc zbiór danych, który po odpowiednich przekształceniach daje obraz próbki. 1.WSTĘP Skaningowy mikroskop tunelowy (STM od ang. Scanning Tunneling Microscope) - rodzaj SPM, mikroskopu ze skanującą sondą (ang. Scannning Probe Microscope) - umożliwia uzyskanie obrazu powierzchni materiałów przewodzących ze zdolnością rozdzielczą rzędu pojedynczego atomu. Uzyskanie obrazu powierzchni jest możliwe dzięki wykorzystaniu zjawiska tunelowego, od którego przyrząd ten wziął swoją nazwę. Mikroskop STM został po raz pierwszy skonstruowany przez Gerda Binniga oraz Heinricha Rohrera. Obaj naukowcy w końcu 1978 roku rozpoczęli badania procesów wzrostu, struktury i własności elektrycznych bardzo cienkich warstw tlenków. Aby móc kontynuować badania w tej dziedzinie potrzebne było urządzenie dające możliwość obserwacji powierzchni w skali ułamków nanometra. Ponieważ do tej pory nie było przyrządów, które by to umożliwiały, Binnig i Rohrer, w 1982 roku skonstruowali swój własny przyrząd - skaningowy mikroskop tunelowy. Obaj naukowcy zbudowali swój wynalazek w Szwajcarii, podczas prac w laboratoriach firmy IBM, mieszczących się w Zurychu, za co, w roku 1986, otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.. Możliwości STM w zakresie obrazowania powierzchni zapoczątkowały burzliwy rozwój nowej dziedziny zwanej skaningową mikroskopią bliskich oddziaływań. Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej Ul. Zygmunta Janiszewskiego11/17 50-372 Wrocław SPENT
2.ZASADA DZIAŁANIA Nad powierzchnią próbki, która może być wykonana tylko z materiału przewodzącego prąd elektryczny, umieszczona jest sonda (ostrze), którą można poruszać w kontrolowany sposób. Ramię trzymające ostrze mocowane jest do aparatury poprzez odpowiednio skonstruowany układ piezoelektryczny (tzw. skaner piezoelektryczny), który pod wpływem napięcia elektrycznego zmienia w niewielkim stopniu swe wymiary, a tym samym zmienia położenie ostrza umożliwiając jej przesuwanie się nad próbką. W wielu konstrukcjach układ piezoelektryczny, który może zmieniać swe wymiary w 3 prostopadłych kierunkach, (x-y skanowanie w płaszczyźnie, z - zbliżanie i oddalanie igły od próbki) porusza ostrzem a sama próbka pozostaje nieruchoma (Rys. 1). Skanowanie kolejnych linii i punktów obrazu próbki odbywa się według z góry zadanego wzoru, natomiast ustalanie odległości ostrza-próbka jest przeprowadzane przez odpowiednio szybki układ ujemnego sprzężenia zwrotnego zapewniające np. przepływ stałego prądu tunelowego (odpowiednia informacja z układu sprzężenia zwrotnego pozwala określić współrzędną pionową z). Jedynie w przypadku bardzo gładkich próbek możliwe jest utrzymywanie stałej wysokości i rejestrowanie wyłącznie zmian prądu tunelowego. Ostrze i próbkę zbliżamy na odległość około 1 nm. Następnie przykładamy różnicę potencjałów U rzędu 1-3 V, która powoduje powstanie różnicy w poziomach Fermiego ostrza i próbki, dostarczając tym samym wolnych stanów po stronie ostrza ( przy założeniu, że ma ono wyższy potencjał względem próbki).tak małe napięcie nie jest wystarczające do tego by elektron pokonał przyciąganie jonów metalu i oderwał się od ostrza, ale dzięki temu, że próbka jest w niewielkiej odległości od ostrza elektron przeskakuje przez zabroniony obszar (barierę potencjału) do badanej próbki w wyniku kwantowego zjawiska tunelowego, dlatego też nazywamy go prądem tunelowym. Rys. 1. Poglądowy schemat skaningowego mikroskopu tunelowego [1]
3.TRYBY PRACY STM może być tak zbudowany aby mógł pracować w dwóch trybach: przy stałej wysokości i przy stałym prądzie. W trybie stałej wysokości ostrze przemieszcza się w płaszczyźnie poziomej, na stałej wysokości. Prąd tunelowy zmienia się wraz z topografią badanej próbki i lokalnych własności elektronowych. Prąd tunelowy zmierzony w każdym punkcie nad powierzchnią próbki tworzy zbiór danych na podstawie których powstaje topograficzny obraz badanego materiału (Rys. 2). Rys. 2. Schematyczne przedstawienie trybu stałej wysokości. W trybie stałego prądu wykorzystuje się tu ujemne sprzężenie zwrotne zapewniające stałą wartość prądu tunelowego. Uzyskuje się to poprzez dopasowanie położenia skanera nad każdym punktem pomiarowym, np. : kiedy system wykryje wzrost prądu tunelowego to zmienia napięcie doprowadzane do piezoelektrycznego skanera tak by zwiększyć jego odległość i przywrócić ustaloną wartość prądu. W tym przypadku to pionowe przemieszczenia skanera dostarczają danych do tworzenia obrazu (Rys. 3). Rys. 3. Schematyczne przedstawienie trybu stałego prądu.
4.SCHEMAT BLOKOWY Na Rys. 4 przestawiona jest w formie schematu blokowego budowa STM. Rys. 4 Schemat blokowy STM Opis funkcji poszczególnych bloków : Komputer jest układem sterującym oraz zbierającym dane. To on wysyła wszystkie sygnały sterujące całym STM oraz pobiera odpowiednie dane, dzięki którym potem rysuje obraz w 2D oraz 3D.Do obrazowania danych komputer korzysta z odpowiednich programów. Układ sterujący ten jest połączony bezpośrednio z komputerem oraz głowicą. Przetwarza on sygnały sterujące oraz pomiarowe. Podstawowym jego zadaniem jest taka regulacja odległości pomiędzy ostrzem a próbką aby prąd tunelowy był stały (tryb pracy). Dlatego zawiera w swojej konstrukcji układ proporcjonalno-intregujący (PI), którego parametry kontroluje się po przy użyciu potencjometrów (stała czasowa, wzmocnienie, współczynnik proporcjonalności). Układ również pozwala na ustawienie dwóch zasadniczych parametrów: napięcia polaryzującego próbkę oraz wartość zadaną, z którą regulator będzie porównywać wartość mierzoną. W obudowie są również zamontowane wyprowadzenia do podłączenia mierników elektrycznych. Układ elektroniczny mierzący prąd tunelowy charakteryzuje się dużą podatnością na zakłócenia polem elektromagnetycznym, zastosowano obudowę ekranującą(ekran elektromagnetyczny). Dodatkowo wprowadzono izolator termiczny oraz akustyczny. Obudowa jest wykonana z twardego pudełka oblepionego folią aluminiową.
Najbardziej istotnymi zakłóceniami obecnymi w pomiarach STM są drgania. Ich źródłem są: -wibracje budynku 15-20Hz -biegnący lub chodzący ludzie 2-4Hz -wibracje urządzeń (np. wentylatory) -dźwięk Metodą, którą zastosowano w celu tłumienia jest zwiększenie masy głowicy, co powoduje zmniejszenie podatności na wibracje. Głowica pomiarowa jest połączona z przekładnią oraz silnikiem DC. Mechanika zawiera precyzyjną śrubę mikrometryczną (o skoku 0.5mm), która służy do realizacji zgrubnego zbliżania ostrza do próbki. Ostrze skanujące jest przymocowane do układu piezoelektrycznego który realizuje przesuw w osiach X, Y oraz Z. Silnik DC jest sterowany odpowiednimi sygnałami z mikrokontrolera. Przetwornik I/U realizuje konwersje prądu na napięcie. Do zbudowania tego układu wykorzystano wzmacniacz operacyjny OPA111, który jest specjalnie stworzony do takich zadań. Jest to podstawowy układ z rezystorem o wartości 10MOhm w sprzężeniu zwrotnym, dzięki czemu uzyskano czułość 100nA/1V. Taki przetworzony sygnał trafia do modułu sterującego. Do zasilania układu zastosowano standardowe układy zasilaczy z odpowiednim napięciem wyjściowym. 5. KONSTRUKCJA MECHANICZNA Skaner jest zamocowany na płytce górnej a próbka za pomocą magnesu do płytki dolnej. Do zgrubnej kontroli użyto śruby mikrometrycznej o skoku 0.5mm. Została ona odpowiednio przymocowana z silnikiem. Przekładnia śruba-ostrze wynosi 1:95. Gdy np. śruba pokona odległość 0.5mm, to ostrze przemieści się o 5um. Próbka jest umieszczona na uchwycie magnetycznym po to aby podczas pracy nie ulegała nie kontrolowanym przesunięciom (Rys. 5). Rys. 5. Konstrukcja mechaniki wraz z rozmieszczeniem poszczególnych elementów.
6. WYNIKI PRACY STM Skanowaną próbką był grafit. Parametry uzyskanych obrazów: - wartość zadana 50nA - wartość mierzona 45nA-55nA - polaryzacja próbki 1,5V - pole skanowania 1,5x1,5µm (128x128 punktów) Rys. 6. Uzyskane obrazy przedstawione w dwóch wymiarach. PODZIĘKOWANIA Pragniemy podziękować wszystkim tym, którzy służyli pomocą podczas tworzenia skaningowego mikroskopu tunelowego. Przede wszystkim czujemy się zobowiązani wobec Andrzeja Sikory i Radosława Wasielewskiego, bez których zaufania i wsparcia praca ta nie mogłaby powstać. Współpracowali oni w pełni od samego początku do końca, nigdy nie odmówili żadnej prośbie. LITERATURA [1] HOWLAND R., BATAR L., STM/AFM mikroskopy ze skanującą sondą elementy teorii i praktyki. Tłumaczenie polskie: M. WOŹNIAK, JAN A. KOZUBOWSKI Warszawa 2002 [2] Hacken H., Wolf H., Atomy i kwanty. Wprowadzanie do współczesnej spektroskopi atomowej, PWN Warszawa 1997
STRESZCZENIE Scanning Tunnelling Microscope (STM) is a device which is extremely versatile and which serves different purposes. Its main task is to examine the surfaces of conductors and semi conductors. Due to its design STM is able to notice even the slightest details of the surface with the resolving power of several nanometres. Taking into account its precise measurements, it appears to be a very useful scrutinizing device applicable for many branches of scientific studies, such as: physics, chemistry, etc. The main advantage of STM is a conducting plummet. Between the plummet and a particular sample the difference of the potentials is applied. Subsequently, when the plummet is approached at about 1mm distance to the surface of the sample, both the electrons from the examined sample and the plummet start to tunnel through the crevice separating those two objects. This snap through takes place from the sample to the plummet or from the plummet to the sample, depending on the imposed polarization voltage. By displacing the plummet above the examined surface, the system registers all the changes in tunnel current, in the distance function of bladesample, creating a set of files which after performing a deliberate transformation shows the sight of the sample.