Сканирующий туннельный микроскоп

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК 1 Л 37 ГОСУДАРСТВЕНН ПО ИЗОБРЕТЕКИ ПРИ ГКНТ СССР И КОМИТЕТИ ОТКРЫТИЯМ ОП ЕТЕН А ВТОРС риборах для исснойстн поверх- разрешающей спомеров атомов, Це пользонано в ния физическ быть и следов ностей собнос лью из твердых те ью порядка бретения я тельностивания за с чунс скан Растровыи мире науки, переме разца. скоп с Д. Трубчатый тре еобразователь дл тичных и ержит два иде мерам трубчат расположены с пьезоэле осно и закрепкоторые лены на положными торрасположеныжатели образсе прот смежных торц цами,напрот н друг дру мерительно асс держат ссы трубча лы, причем раз ца иность0,24 и не превышае о пьезоэлемен ил 1 табл,я увеличе являе е изобрете 00 опа и обнижения нительности микро ние чув ласти с ирования за счет брационных помех и независивлияния мого ре улиронания управ одаваемых на пье ющих напряэлементы жении системылы и обрНа че азца.ртеже п влек конструкйки микро нная ма гуннельноп копа.Все детал о микроскоп орпусе 1. И НИЕ И ОБ У СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых матерналов АН СССР и Иосконский институтстали и сплавов(56) Бинниг Д, и Рорер Г.туннельный микроскоп. - В1985, У 10, с. 26.Бинниг Д, и Смиткоординатный пьезопррастрового туннельного микроскопа,Приборы для научных исследований,1986, У 8, с. 152,54) СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКО(57) Изобретение относится к туннельной электронной микроскопии и может Изобретение относится к туннельной электронной микроскопии и можетбыть использовано в приборах для исследования физических свойств поверхностей твердых тел с разрешающейспособностью порядка размеров атомов,в частности атомной структуры твердыхтел, электронных свойств твердых телн атомном масштабе, процессов адсорбции и поверхностной диффузии атомови молекул, строения молекул и субмикроскопических объектов, а также биологических процессов и контроля изделиймикроэлектроники,нляется увеличениемикроскопа и областичет снижения влияния вибрационных помех и независимого регулирования управляющих напряжений,подаваемых на пьезоэлементы системы ения измерительнои иглы и обСканирующий туннельный микроемещений измерительно канирующего т ннельнозакреплены на жесткомнтичные трубчатые пьезэлементы 2 и 3 из пьезокерамики с нанесенными на нее электродами управления закреплены своими торцами на противоположных сторонах корпуса и уста 5новлены соосно друг другу.На свободных торцах первого 2 ивторого 3 пьезоэлементов установленыидентичные втулки 4, на которых закреплены соответственно цилиндрический держатель 5 измерительной иглы6 и цилиндрический держатель 7 образца 8, Втулки 4 выполнены, например,в виде цанговых зажимов с пружинящими лепестками, охватывающими цилиндрические держатели. Держатели 5 и 7выполнены так, что их массы не превышают О, 24 массы пьезоэлементов,Сканирующий туннельный микроскопработает следующим образом, 20Предварительно между образцом 8и измерительной иглой 6 устанавливаютзазор 0,1-1 мкм, Далее под воздействием управляющего напряжения Б , прикладываемого к электродам первого пье 25зоэлемента 2 и вызывающего его удлинение (или укорочение - в зависимостиот знака приложенного напряжения),происходит дальнейшее сближение иглыи образца и при достижении зазора внесколько ангстрем между ними возникает туннельный ток, который в последующем схема автоматического управления поддерживает на заданном уровне,Сканирование по направлениям Х иУ проводится подачей соответствующихуправляющих напряжений по строкам икадрам.Использование в конструкции двухидентичных трубчатых пьезоэлементовпозволяет один из них применить длясканирования иглы в плоскостях Х, У,а другой - для задания взаимного перемещения иглы и образца по оси 2.Тем самым достигается то, что каждое из управляющих напряжений можетизменяться во всем допустимом диапазоне, те. размеры области сканирования увеличиваются в 2-3 раза посравнению с известным микроскопом. Оцнако в отличие от измерительной иглы,имеющей ничтожно малую массу, держатель образца обычно имеет массу асравнимую или большую массы пьезоэлемента ш55 Анализ влияния внешних вибраций на чувствительность микроскопа в этом случае показывает следующее,Под воздействием вибраций происходит взаимное смещение образца и измерительной иглы, что приводит к появлению шумового сигнала. Частоты вибраций лежат обычно в пределах 1 -10 ьиь 100 Гц, амплитуды - в пределах 1- 10 мкм. Собственные частоты колебанийэлементов сканирующих туннельных микроскопов лежат в диапазоне 1, Б, 1 - 100 кГц. Таким образом, всегда выполняется условиеьибсоБс , При этом условии амплитуды взаимных колебаний деталей прибора ослабляются в (соус / ЬИБ) Раз, по сравнению с амплитудой колебаний корпуса прибора. В предлагаемом сканирующем туннельном микроскопе, как и в известном, наименьшую собственную частоту имеют изгибные колебания трубчатого пьезоэлемента, и именно ими обусловлен шум. Так, наименьшая собственная частота изгибных колебаний трубчатого пьезоэлемента, использовавшегося нами и нагруженного только иглой с ничтожно малой массой, равна 7 кГц, т,е, спектральные составляющие вибраций с амплитудой 1 мкм и частотой 100 Гц ослабляются до уровня ф 0,2 нм, что недостаточно для проведения измерений с 4 томным разр;пением. Формула для найменьшей частоты собственных колебаний трубки может быть приведена к виду1 Ксоос 2 0 24 шгде К - изгибная жесткость, шэ - полная масса в данном случае трубчатого пьезоэлемента.Если на конце пьезоэлемента укреплен компактный держатель образца с массой шо, то формула преобразуется к виду1 Ксоус 2 цш +0 24 ш.о ф о Эт.е. в этом случае амплитуда вибрацийш+О 24 ш,звырастет в (-. - в -) раз, что сос 0,24 штавляет -4 раза при ш = 7,0 г, благоцаря выполнению условия 1 в с 1 соБ и образец и игла колеблются в фазе друг с другом, поскольку они колеблются в фазе с внешним воздействием (пренебрегаем малым сцвигом фазы колеба153118 10 Масса пье- зозлеменга Чувсгвигельносгь,Микроскоп асса дер- Масса дерагеля иг- жагеля обг лы, г разца, г нм 0,1720 480,170,150,009 0,011,5 75,0847 Известньп 69 24 20 редлагаемьп 7,0 7,07,1 ний держателей относительно колебании станины, равным );где- декремент за;хания свободных колебаний, который для пьезоэлементов мал, (1 /2 4з 6, 10 -10 ). Поэтому при идентичных пьезоэлементах амплитуда относительных колебаний образцаш,-тп пи иглы составляет -вот ам 0,24 пплитуды колебаний иглы в известном микроскопе, и, таким образом, при (ш-спад)0,24 т станет меньше, чем в известном, т,е. будет достигнут положительный эффект, Если сами держатели имеют одинаковую массу, то в первом приближении разность амплитуд колебаний иглы и образца опред - ляется массой последнего, и так как реально его масса при приведенных вы ше конструктивных размерах сканирующего туннельного микроскопа составляет доли грамма ослабление вибраций будет значительным.П р и м е р. В изготовленном ска нирующем туннельном микроскопе применены трубчатые пьезо"лементы с внешним диаметром 10 мм, длиной 32 мм, толщиной стенок 1 мм и массой пт8 г, 30Пьезоэлементы снабжены сплошными цилиндрическими внутренними и внешними электродами. У второго пьезоэлемента 3 внешний электрод был разрезан по образующей на четыре идентичных35 секторных электрода, изолированных друг от друга, Управляющее напряжение 11 подается на первый пьезоэлемент 2, управляющие напряжения Б(1 подаются на ортогонально расположенные пары 40 секторых электродов. Держатели образца и иглы имеют одинаковую массу, равную 7 г. Материал пьезоэлемента выдерживает электрическое поле напряжен 1 6ностью до 10 кВ/см, поэтому возможноизменение напряжений 1),(1 в пределах + 2 кВ, что обеспечивает диапазонсканирования в плоскости Х, У 40 хх 40 мкм, т.е, в 2-3 раза больше посравнению с известным микроскопом.Чувствительность измеряется по шумовому сигналу сканирующего туннельного микроскопа и составляет 0,02 нмпри времени измерения 1 с,В таблице приведены данные, показывающие влияние различия массы держателей на чувствительность туннельного микроскопа в реальных лабораторныхусловиях, вибрации пола с амплитудой1 мкм, частотой 100 Гц (измерено сейсмографом).Как видно из приведенных примеров,предложенный сканирующий туннельныймикроскоп обладает большей в 10-20раз чувствительностью. формула изобретения Сканирующий туннельный микроскоп, содержащий корпус, трубчатый пьезоэлемент, один торец которого закреплен на корпусе, а на другом торце установлен держатель измерительной иглы, держатель образца и систему управления, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения чувствительности и области сканирования, он снабжен вторым трубчатым пьезоэлементом, идентичным по форме и размерам первому трубчатому пьезоэлементу, расположенным соосно с ним и закрепленным одним из торцов на корпусе, при этом держатель образца установлен на свободном торце второго трубчатого пьезоэлемента, а разность масс держателей не превышает 0,24 массы трубчатого пьезоэлемента.1531181Составитель В.ГаврюшинРедактор Г.Волкова Техред Л,Олийнык Корректор М.Шароши Заказ 7964/54 Тираж 696 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101