Исследование метрологических характеристик сканирующего туннельного микроскопа для изучения кластерных материалов

• Автор: Шелковников, Евгений Юрьевич
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 177 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ ПРИМЕНЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ
КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1Л Обзор кластерных материалов на основе ультрадисперсных
частиц
1.2 Экспериментальные методы исследования поверхности
твёрдых тел
1.3 Анализ методов и устройств туннельной спектроскопии для изучения поверхности объектов
1.3.1 Туннельная спектроскопия
1.3.2 Сканирующая туннельная микроскопия и спектроскопия
1.3.3 Обзор исследований, проведённых с использованием СТМ
1.4 Выводы и постановка задачи
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ РАСЧЁТНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПЛОТНОСТИ ТОКА ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ МЕТАЛЛ-ИЗОЛЯТОР-МЕТАЛЛ
2.1 Обзор известных моделей ВАХ туннельных переходов
2.2 Модель ВАХ на основе приближения Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна
2.3 Корректный учёт сил изображения при малых величинах туннельного зазора
2.4 Обобщённая формула Симмонса квантово-механического туннелирования со средним потенциальным барьером
2.5 Численные исследования параметров туннельного перехода для разных моделей ВАХ
2.6 Исследования параметров туннельного перехода в режиме постоянной плотности туннельного тока
2.7 Сравнительный анализ погрешностей аппроксимации известных моделей ВАХ
2.8 Выводы по главе
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ
СКАНИРУЮЩЕГО ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА
3.1 Обоснование расчётных моделей острия с использованием его эмиссионных картин
3.2 Формирование туннельного тока между конусообразным
остриём и подложкой
3.3 Определение туннельного тока между подложкой и конусообразным остриём со сферическим закруглением
3.4 Численное моделирование структуры токов в системе остриё-подложка с применением метода Монте-Карло
3.5 Методика построения СТМ-профилограммы при движении
острия иглы над элементарными геометрическими объектами
3.6 Выводы по главе
ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ
РАЗМЕРОВ МИКРОНЕРОВНОСТЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТУННЕЛЬНЫМ МИКРОСКОПОМ
4.1 Нахождение результирующей погрешности СТМ-измерений по образующим её частным погрешностям
4.2 Условие обеспечения прямых СТМ-измерений с неразрушающим съёмом информации
4.3 Количественное определение пространственного разрешения туннельного микроскопа
4.4 Двумерное распределение плотности тока в зондирующем
пятне и эквивалентная площадь туннельного контакта
4.5 Выводы по главе
ГЛАВА 5. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СКАНИРУЮЩЕГО ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА
5.1 Выделение измерительной информации
5.2 Цифровая обработка СТМ-нзображений
5.3 Алгоритмы реализации задач визуализации и измерительных задач при использовании СТМ для изучения КМ
5.4 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
СТМ - сканирующий туннельный микроскоп
РЭМ - растровый электронный микроскоп
ПРЭМ - просвечивающий растровый электронный микроскоп
АЭМ - автоэлектронный микроскоп
ИМ - ионный микроскоп
ФКМ - фазоконтрастный микроскоп
КМ — кластерные материалы
УДЧ - ультрадисперсные частицы
ПР - пространственное разрешение
ПБ - потенциальный барьер
МИМ - металл-изолятор-металл
МСЭ - модель свободных электронов
ТС — туннельное сопротивление
ТП - туннельный переход
ВАХ - вольтамперная характеристика
ВКБ-приближенис - приближение Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна
СБА - аппроксимация средним ПБ
НСБА - низковольтная аппроксимация средним ПБ
ПНА - простая низковольтная аппроксимация
БСЭ - бесконтактный считывающий элемент
РУ - развёртывающее устройство
УУ - устройство управления
УВК — устройство выделения Z-кoopдинaты
Х,',/. - координаты - координаты местоположения острия по осям ХУ У УФР - устройство формирования и регистрации СТМ-изображения КО - конусообразное остриё
КОС - конусообразное остриё с вписанной при его вершине сферой ЗП - зондирующее пятно
ДРПТ - двумерное распределение плотности тока

В [74] описано получение СТМ-изображений отдельных атомных ступеней. Устойчиво наблюдаемая 7x7 реконструкция Si существенно не искажается от ступени к ступени. Расположение каждой ступени совпадает с краем элементарной ячейки 7x7 как в верхнем, так и в нижних соседних с ней слоях. Наблюдаемая асимметрия внутри элементарной ячейки 7x7 связывается с дефектами слоев, соседних со ступенью.
В [75] Р.Беккер и др. наблюдали состояния, присущие решётке Si(l 11)7x7 Результаты СТМ-наблюдений показывают, что энергии и силы состояний зависят в большей степени от расположения атомов в элементарной ячейке. Обсуждается значение этих зависимостей для структурных моделей решётки 7x7.
СТМ исследования новых структур на чистых кремниевых поверхностях (111) описано в [76]. Поверхности приготовляются комбинированным лазерным и термическим отжигом, затем структуры исследуются туннельным микроскопом. Области (4x2) и (2x2) возникают на упорядоченных участках поверхности непосредственно после лазерного отжига. Последующие частичные термические отжиги приводят к поверхности, содержащей (5x5), (7x7), (9x9) и другие промежуточные структуры. Обсуждение этих наблюдений сводится, в основном, к сравнению германиевых и кремниевых структур.
В [77] представлены практические исследования вибрационных возбуждений на поверхности Si(OOl). Рассмотрены три различные реконструкции, основанные на поверхностной модели. Наблюдаемые спектры поглощения могут быть использованы для характеристики повторяемости поверхности, при этом обсуждаются эффекты поверхностной симметрии на спектрах.
В [78] исследовалось упругое и неупругое туннелирование электронов в переходах, использующих термически оксидированные барьеры АЮх, легированные Si и Si02. Эффективная высота барьера систематически понижалась путём добавления Si и SiO.
В [79] представлены некоторые соображения относительно неупругого увеличения проводимости для вибрирующих молекул. Показано, что её относительное увеличение в случае вакуумного туннелирования может быть значительно больше, чем то, которое наблюдается при туннелировании через слои оксида, даже для единичной адсорбированной молекулы.
В [80] туннельная СТМ-спектроскопия используется для изучения поверхностных состояний по спектру туннелирования dlx/dUr. Зондирующая игла вызывает расширение линий водородного спектра, допускающего ясное различение отдельных состояний. Простая теоретическая модель обеспечивает количественную связь между результатами туннельных измерений.
В [81] изучен потенциал вакуумного туннелирования при взаимодействии электрон-металл-поверхность. Показано, что классический потенциал СТМ-