Сканирующий туннельный микроскоп - один из микроскопов высокого разрешения. Изобретен в 1982 году Г. Биннигом и Г. Рорером. За это изобретение (нового класса электронных микроскопов - сканирующего туннельного микроскопа) Г. Биннингу и Г. Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике 1986 года.

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа кардинально отличается от всех методик, которые до сих пор применялись в физике поверхности. Тонкое металлическое острие, смонтированное на электромеханическом приводе (X, Y, Z-позиционере), служит зондом для исследования участков поверхности образца. Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние <10 ангстрем, то при приложении между острием и образцом небольшого (от 0,01 до 10 В) напряжения смещения через вакуумный промежуток δz начинает протекать туннельный ток порядка 10^-9А. Для подвода острия-зонда к образцу на расстояние δz, равное нескольким ангстремам, и сканирования вдоль поверхности используется пьезодвигатель на основе пьезоэлектриков. Пьезоэлектрики – это такие материалы, которые изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения. Полагая, что электронные состояния (орбитали) локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении X или Y с одновременным измерением выходного сигнала в цепи Z можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне. Эта структура может быть отображена в двух режимах:

1.измеряя туннельный ток и поддерживая расстояние δz от острия до поверхности образца

2.измеряя изменения в положении острия (то есть расстояние до поверхности образца) при постоянном туннельном токе (второй режим используется чаще).

В сканирующей туннельной микроскопии присутствуют три концепции: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике. Электронное туннелирование с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления сканирующей туннельной микроскопии. Сканирующий туннельный микроскоп не содержит линз, поэтому изображение не искажается из-за аберраций. Энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что делает возможным неразрушающий контроль объекта. В то же время в электронной микроскопии при высоком разрешении энергия достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, что вызывает образование радиационных дефектов. Все это делает сканирующий туннельный микроскоп уникальным микроскопом.

Опишем схему работы сканирующего туннельного микроскопа. На пьезоэлемент p_z подается напряжение с выхода усилителя обратной связи, определяющее величину зазора между образцом и острием и тем самым величину туннельного тока. Туннельный ток должен быть все время пропорционален заданному току. Это условие обеспечивается благодаря управляемой компьютером цепи обратной связи. На пьезоэлементы px и py под управлением того же компьютера подаются пилообразные напряжения, которые формирую строчную и кадровую развертки (растр) подобно тому, как это происходит в телевидении. Осциллограммы напряжения V_z запоминаются компьютером, после чего преобразуются в зависимость z (x, y), отображающую траекторию движения острия и, таким образом, являющуюся туннельным изображением поверхности образца.

Обычно записанные сигналы подвергаются фильтрации и дополнительной компьютерной обработке, которые дают возможность представить туннельные изображения в режиме так называемой серой шкалы. В этом режиме контраст изображения коррелирует с рельефом поверхности: светлые пятна соответствуют более высоко расположенным областям и наоборот. Всего через 27 месяцев после формулировки базовой концепции сканирующего туннельного микроскопа была экспериментально доказана характерная для туннелирования экспоненциальная зависимость тока от расстояния. Датой рождения сканирующего туннельного микроскопа считается 16 марта 1981 года.

Существует ряд технических сложностей при изготовлении микроскопа:

- ограничение на сопротивление исследуемых веществ (поверхностное сопротивление < 20 МОм/см²)

- заточка иглы (двойное лезвие может привести к одновременному измерению двух одинаковых вершин на образце)

- глубина впадин на образце должна быть меньше, чем ширина, иначе имеем туннелирование со стенок

Все сканирующие туннельные микроскопы можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные сканирующие туннельные микроскопы, работающие в условиях криогенных температур.

Область применения сканирующих туннельных микроскопов – это в основном физика поверхности твердых тел. При первых же экспериментах по исследованию поверхности золота Au(100), относительно которой было известно, что она испытывает реконструкцию, было выяснено, что можно наблюдать различные сверхструктуры и ступеньки моноатомной высоты. Это свидетельствовало о разрешении сканирующего туннельного микроскопа порядка нескольких ангстрем, хотя ожидаемым было геометрическое разрешение по плоскости наблюдения не более 45Å. Этот результат показал, что в руках ученых появился уникальный инструмент - сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий наблюдать на поверхности отдельные атомы.

Сканирующий туннельный микроскоп применяют для исследования проводящих поверхностей. Изображения, которые получают с помощью этого микроскопа дают информацию о пространственном распределении плотности электронных состояний вблизи поверхности. Образно говоря, туннельный микроскоп видит распределение электронных облаков вблизи поверхности.

Туннельный микроскоп стал прототипом зондовых микроскопов новых конструкций, среди которых самое широкое применение нашел атомно-силовой микроскоп.

Конструирование и изготовление сканирующих туннельных микроскопов по сей день остается трудной задачей. Даже в наши дни существует немного лабораторий, располагающих сканирующими туннельными микроскопами, которые работали бы с истинно атомным разрешением.
 

В сканирующем туннельном микроскопе в качестве зонда используется заточенное острие, приготовленное из металлической проволоки, например, вольфрамовой или из сплава благородных металлов (80% Pt, 20% Ir). Изготовление зонда осуществляют методом электрохимического травления или просто механическим срезом. В первом случае кончик проволоки, как правило, опускают в раствор щелочи и при пропускании постоянного или переменного тока формируют микроострие. Во втором случае можно даже с помощью простых ножниц сделать срез проволоки под углом 30–60^о. Удивительно, но даже с помощью такого зонда можно увидеть отдельные атомы на поверхности проводника. Существует целое многообразие методов приготовления зондов. Для надежного измерения профиля шероховатой поверхности часто формируют зонды со строго определенной геометрией острия, например, выбирают угол схождения конуса острия в 20^о. Для исследования биологических объектов применяют зонды небольшого диаметра (1–2 микрона) при значительной длине (10–15 мкм). При изучении поверхности в жидких средах, на поверхность иглы, за исключением самого кончика, наносят диэлектрическое покрытие – пленку полимера или иного материала. В таком случае можно наблюдать электрохимическое осаждение единичных атомов при электролизе.

Важной деталью сканирующего туннельного микроскопа является механический манипулятор, который обеспечивает перемещение зонда над поверхностью с точностью до тысячных долей нанометра. Традиционно механический манипулятор изготавливают из пьезокерамического материала. Если из пьезоматериала вырезать балку прямоугольного сечения, нанести на противоположные стороны металлические электроды и приложить к ним разность потенциалов, то при этом произойдет изменение геометрических размеров балки. Это и есть так называемый обратный пьезоэффект. С помощью такой балки можно перемещать зонд по одной координате, с помощью комбинации из трех балок — по трем координатам. В практических конструкциях обычно используют пьезокерамические манипуляторы, выполненные в виде тонкостенной трубки с несколькими раздельными электродами. Управляющее напряжение вызывает удлинение или изгиб таких трубчатых манипуляторов и, соответственно, перемещение зонда по всем трем пространственным координатам X, Y и Z. Конструкции современных манипуляторов обеспечивают диапазон механического перемещения зонда до 100–200 мкм в плоскости образца и до 5–12 мкм —по нормали к образцу.