projekt studenckiego skaningowego mikroskopu

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.