Введение к работе
Актуальность проблемы. После появления в 1982 г. первого сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) Биннига и Рорера туннельная микроскопия получила бурное развитие. Интерес к СТМ объясняется его уникальным разрешением: до нескольких сотых нанометра по нормали к поверхности исследуемого образца и десятые доли нанометров - вдоль нее. Микроскоп может работать не только в высоком вакууме, но и на воздухе и даже в жидкой среде. СТМ позволяет получать весьма богатую информацию: сведения о микрорельефе поверхности, локальной эффективной работе выхода (высоте потенциального барьера между зондом и образцом), спектре электронных состояний.
При изучении морфологии поверхности кристаллов с помощью СТМ в условиях воздушной среды всегда следует принимать во внимание то, что поверхности образца и зонда могут быть покрыты окисными слоями, влагой и т.д. Достоверность СТМ-исследований геометрических размеров нанообразований (фасеток, ступеней, дефектов в виде неровностей, кластеров типа квантовых точек и т.п.) в режиме постоянного туннельного тока будет определяться значениями потенциального барьера между зондом и образцом. Минимум информации по исследованию потенциального барьера методом воздушной сканирующей туннельной спектроскопии (СТС), а также сообщение об успешной идентификации адсорбированных частиц методом туннельной колебательной спектроскопии [1], простимулировали проведение настоящего исследования на образцах пиролитического графита марки ВПГ, вольфрама, золота (так как они обладают разной кристаллографической структурой и наиболее устойчивыми поверхностями в атмосферных условиях), а также ниобия и титана.
Цель настоящей работы заключается в изучении потенциального барьера и поверхностных локализованных энергетических состояний поверхностей кристаллов методом туннельной спектроскопии в атмосферных условиях.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
-
Отработка методики изучения потенциального барьера между зондом и образцом в атмосферных условиях методом туннельной спектроскопии.
-
Исследование потенциального барьера между зондом и кристаллическими поверхностями с различной структурой и предысторией.
-
Изучение поверхностных локализованных энергетических состояний методом туннельной колебательной спектроскопии.
-
Исследование распределения потенциального барьера по реальной поверхности кристаллов с развитой структурой, а также оценка влияния потенциального барьера на достоверность туннельно-микроскопических исследований.
Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:
-
Методом туннельной спектроскопии изучен потенциальный барьер между зондом и окисленной поверхностью монокристаллов тугоплавких металлов (грани (ПО) вольфрама и ниобия) и получены аномально низкие значения потенциального барьера (менее 0.3 эВ).
-
Определены величины потенциального барьера между зондом и образцами с разной кристаллографической структурой (ГПУ -графит, ГЦК - золото, ОЦК - вольфрам), и показано, что величина потенциального барьера практически не зависит от кристаллографической структуры образца.
-
Методом воздушной туннельной колебательной спектроскопии получены колебательные серии автоэмиссионных резонансов ВАХ СТМ на образце монокристалла ниобия (110).
-
Изучены особенности распределения потенциального барьера между зондом и образцом в области ступеней на образце графита и вицинальных гранях W(l 10), Nb(l 10).
-
Разработана и опробована количественная методика учета неоднородности потенциального барьера между зондом и образцом при СТМ/СТС-исследованиях реальной поверхности кристалла.
Научно-практическое значение результатов работы заключается в том, что:
1. Методика и результаты, полученные при изучении потенциального барьера между зондом и образцом в воздушном
туннельно-зондовом микроскопе, могут использоваться при определении геометрических размеров нанообразований с помощью СТМ.
-
Разработана и опробована методика экспресс-анализа адсорбированных частиц на основе сканирующей туннельной колебательной спектроскопии.
-
Результаты исследований используются в учебном процессе: на лекционных курсах, в дипломном проектировании, а также в электронном учебнике, созданном в рамках программы Минобразования "Высокие технологии в образовании".
Достоверность результатов работы подтверждается
данными тестирования прибора на образцах с известной
геометрией поверхности (графит ВПГ), воспроизводимостью
полученных результатов, повторяемостью туннельно-
микроскопических и спектроскопических изображений при сканировании по разным направлениям (X,Y), соответствием полученных результатов данным других исследователей, применением комплекса методов исследования.
Научные положения, выносимые па защиту:
І.При измерении потенциального барьера между зондом и образцами монокристаллов W(110) и Nb(llO) методом туннельной спектроскопии в условиях воздушной среды получаемые значения потенциального барьера имеют аномально низкие величины, не превышающие 0,3 эВ.
2. Аномально низкие значения потенциального барьера между зондом и образцом W(110) при измерении методом туннельной спектроскопии в условиях воздушной среды не связаны с понижением потенциального барьера от 4-5 эВ до 0.3 эВ и менее вследствие эффекта Шоттки, а определяются как энергетическая разность между дном разрешенной энергетической зоны в слое окисла, расположенной выше уровня Ферми, и уровнем Ферми.
З.На образце Nb(110) получены серии автоэмиссионных резонансов ВАХ СТМ, на которых идентифицированы резонансные максимумы, соответствующие одноквантовым, двухквантовым и комбинированным колебательным переходам молекул физически адсорбированной воды.
Апробация работы. Результаты диссертации были доложены на:
-
Международной конференции "Эмиссионная электроника, новые методы и технологии ", Ташкент, Узбекистан, 1997;
-
Всероссийском совещании "Зондовая микроскопия - 99", Н.Новгород, 1999;
-
Международной конференции "12th International Vacuum Microelectronics Conference", Darmstadt, Germany, 1999;
-
Международной конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики", Саранск, 1999;
-
II республиканской конференции по физической электронике, Ташкент, 1999.
Публикации.
Результаты исследований опубликованы в 10 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 83 наименований. Объем работы составляет 125 страниц машинописного текста, включая 53 рисунка.
