Введение к работе
Актуальность темы. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) является одним из основных инструментов современной физики и технологии наиометровых и субианометровых структур. Он дает возможность не только исследовать свойства проводящих поверхностей с атомным разрешением, но и создавать новые объекты, манипулировать отдельными атомами. Чувствительность и разрешающая способность СТМ, как и всех приборов, ограничивается шумами, для СТМ - низкочастотным фликкерным шумом туннельного контакта.
Для СТМ ттгумгл имеют особенно важное значение. По сравнению с
другими приборами современной электроники, например,
полупроводниковыми, туннельный переход является сильно шумящим элементом. Это обусловлено чрезвычайно малыми размерами области протекания туннельного тока. Поэтому даже небольшие возмущения в области контакта, обусловленные, например, движением примесных атомов или дефектов, приводят к большим относительным изменениям параметров туннельного перехода. В силу этого глум, генерируемый переходом, доминирует над другими шумовыми источниками В СТМ и имеет определяющее значение для чувствительности и разрешающей способности туннельной микроскопии.
Помимо прикладной задачи улучшения качества СТМ-изображештй исследование шумов туннельного контакта представляет самостоятельный научный интерес. Исследование флуктуации тока в системе, состоящей из единиц - десятков атомов, позволяет изучать механизмы шумообразовапия на молекулярном уровне. Использоваїше высокого пространственного разрешения СТМ открывает перспективы для решения таких актуальных задач физики шумов в проводящих материалах как определение эффективных размеров флуктуаторов, форма спектра и мощность шума, генерируемого отдельными флуктуаторами, и их распределение по поверхности образца.
В настоящее время нет единого взгляда на источники флуктуации и на механизм шумообразовапия в туннельном контакте. Установлены лишь
зависимость шума от материала и структуры поверхности образца, окружающих условий (на воздухе, в ваккууме) и общий характер зависимости флуктуации от режима работы туннельного коїггакта, однако детальные исследования практически не проводились. Отсутствует модель флуктуации туннельного контакта, на основе которой могли бы интерпретироваться и сравниваться результаты различных экспериментов.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является выяснение основных источников флуктуации туннельного контакта СТМ и определение их вклада в низкочастотный шум туннельного тока. Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:
-
Разработка модели флуктуации туннельного контакта, параметры которой допускали бы ясную физическую интерпретацию и могли быть определены экспериментально.
-
Разработка методов измерения отдельных флуктуациошюых составляющих туннельного тока.
-
Выяснение локализации физических источников шума в системе игла-образец.
-
йзуїение статсшческих характеристик флуктуации тунпелыюго тока в зависимости от режима работы туннельного контакта (тока, напряжения на контакте, ширины туннельного зазора).
Решение этих научных задач потребовало 1) модернизации аппаратуры СТМ, 2) разработки специального программного обеспечения для управления работой СТМ, измерения флуктуации и статистической обработки результатов измерений, 3) оценки влияния шумов электрошюй аппаратуры и механических флуктуации СТМ, 4) анализа влияния цени обратной связи СТМ на измеряемые характеристики шума.
Объектом экспериментального исследования был туннельный контакт между платино-иридиевой иглой и поверхностью графита, электрофизические характеристики которого достаточно хорошо изучены, и который обладает хорошей воспроизводимостью параметров.
Научная новизна определяется следующими, наиболее важными из полученных результатов:
-
Предложена и экспериментально обоснована эмпирическая модель туннельного контакта СІМ, параметры которой отражают физические параметры контакта: эффективную ширину и высоту потенциального барьера и плотность электронных состояний. Рассчитаны составляющие низкочастотного шума туннельного тока, вызванные флуктуациями параметров модели и флуктуациями контактного потенциала.
-
Разработан метод измерения составляющих шума туннельного тока, вызванных флуктуациями проводимости контакта, контактного потенциала и высоты потенциального барьера. Экспериментально показано, что флуктуации контактного потенциала и флуктуации высоты потенциального барьера вносят основной и примерно одинаковый по величине вклад во флуктуации туннельного тока.
-
Разработан метод оценки эффективной ширины потенциального барьера туннельного контакта, основанный на ігзмереіши шума туппельпого тока и его составляющей, вызванной флуктуациями высоты потенциального барьера.
-
Предложен метод изучения распределения источников флуктуации между иглой и образцом, основанный на измерении корреляционных и спектральных характеристик шума при различной скорости движения иглы вдоль поверхности образца.
Практическая ценность работы. Результаты работы могут быть использованы для создания методов анализа поверхностей по характеристикам шума, методов получения и обработки СТМ изображений с улучшенным отношением сигнал/нгум, а также при проведении исследований механизмов флуктуации в проводящих материалах.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на XV Международной конференции по шумам в физических системах и l/f флуктуациям (Гонконг, 1999г.), на Международных научно-технических семинарах «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых
приборах» (Москва, МЭИ, 1996г. - 1999г.), на Ломоносовских чтениях (Физический факультет МГУ, 1997г.), на семинарах кафедры физики колебаний Физического факультета МГУ. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Она содержит 48 иллюстраций и 4 таблицы. Список цитируемой литературы состоит из 53 названий. Общий объем работы 127 страниц.