Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://kvant.mccme.ru/pdf/1999/05/11.pdf Дата изменения: Fri Dec 23 19:25:26 2005 Дата индексирования: Tue Oct 2 00:10:38 2012 Кодировка: Windows-1251

ЗАКОН

ОМА

ДЛЯ

РАЗОМКНУТОЙ

ЦЕПИ

И...

ТУННЕЛЬНЫЙ

МИКРОСКОП

11

I=0

I=?


I = 1A

A +

A + +

A

Рис.1. При большом зазоре между проводниками ток равен нулю, при контакте проводников в цепи течет ток, например 1 А. До какого расстояния нужно сблизить два проводника, чтобы появился заметный электрический ток?

называемого туннельного эффекта. Туннельный эффект это прохождение через потенциальный барьер микрочастицы, энергия которой меньше, чем высота барьера. В эксперименте Янга электроны находятся в потенциальной яме, и их энергия меньше высоты потенциального барьера, образуемого воздушным зазором. Однако часть электронов проходят сквозь барьер туннелируют. Строгое объяснение этого эффекта дает квантовая механика (исходя из неопределенности импульса микрочастицы в области барьера). Туннельный эффект проявляется в различных системах; например, спонтанное излучение ядром электрона -распад происходит также вследствие туннельного эффекта. Неожиданное применение туннельного эффекта нашло себя в приборе, сконструированном в 1981 году сотрудниками исследовательского центра фирмы IBM в Швейцарии Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. Швейцарские ученые поставили цель создать установку для спектроскопических исследований сверхпроводников. Они предполагали, что с ее поT P Z Y S L X
Рис.2. Общий вид механической системы микроскопа конструкции Биннига и Рорера. Игла Т расположена на трехкоординатном манипуляторе с тремя электродами X, Y, Z. Для осуществления начального сближения образец S установлен на 'трехногой ходилке' манипуляторе грубых перемещений L. С целью виброизоляции механика микроскопа подвешена на мягких пружинах P
3*

мощью смогут увидеть отдельные участки поверхности размером порядка 10 нанометров (одной стомиллионной метра). Созданный ими прибор превзошел все ожидания 4 марта 1981 года Бинниг и Рорер (совместно с коллегами) увидели отдельные атомы (!) на поверхности кремния. Этот день можно считать днем рождения нового прибора сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). 'Глазами' микроскопа является его механическая часть (рис.2). В туннельном микроскопе изучают проводящие образцы. Для наблюдения поверхности образца его закрепляют на столике микроскопа, а заостренную иглу устанавливают на специальном манипуляторе пьезосканере. Как сделать иглы для микроскопа, мы поговорим позже, а сейчас об устройстве пьезосканера. Пьезосканер первого микроскопа имел вид треноги, изображенной на рисунке 2. Каждую из 'ног' такого манипулятора изготавливали из пьезокерамики в форме удлиненного бруска квадратного сечения. На противоположные грани брусков были нанесены металлические электроды. Прикладывая электрическое напряжение к электродам, можно было управлять длиной брусков укорачивать или удлинять. (Такое свойство пьезокерамики используется не только в туннельном микроскопе, но и, например, в будильнике электронных часов. Пьезодиск в часах под действием переменного напряжения меняет свои размеры, тем самым возбуждая в воздухе звуковые колебания, которые нас и будят по утрам.) Если приложить электрическое напряжение к каждой из трех 'ног' манипулятора, то можно осуществить перемещение иглы по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Такие манипуляторы обеспечивают перемещение иглы на расстояния до 10 микрон. В современных туннельных микро-

скопах используются манипуляторы в виде монолитной трубки с системой электродов (рис.3). Если приложить напряжение к Z-электродам, то верхняя часть трубки изменит длину, обеспечивая перемещение иглы вдоль Zкоординаты. Перемещение иглы по другим координатам осуществляется за счет изгиба трубки. Достигается это следующим образом. В нижней части трубки имеется система X- и Y-электродов. Если к одному из X-электродов приложено положительное напряжение, а к другому отрицательное, то одна сторона трубки укоротится, а другая удлинится, в результате трубка изогнется, а игла переместится практически вдоль X-координаты. Аналогично можно осуществить перемещение иглы и по координате Y. При длине трубки 5 см, наружном диаметре 1 см и толщине стенок 0,3 мм перемещение по координатам X и Y может достигать 250 мкм, а по координате Z до 10 мкм. При этом точность поддержания размеров трубки сотые доли нанометра. Для того чтобы получить высокое разрешение в туннельном микроскопе, необходимо применять иглы с острым кончиком. Желательно, чтобы на конце острия находился всего лишь один атом. К счастью, на момент изобретения туннельного микроскопа такие иглы уже умели делать (подобные иглы использовались в ионном проекторе). Иглы изготавливались из тонкой вольфрамовой проволоки, острие иглы имело форму

Z

X +Y +X

Рис.3. Тонкостенная трубка из пьезокерамики обеспечивает перемещение иглы по трем координатам. Для этого на трубке нанесены металлические электроды. При приложении напряжения к парам электродов X,+X или Y,+Y трубка изгибается , и игла перемещается по координатам X и Y. Подача напряжения к Z-электроду приводит к изменению общей длины трубки игла перемещается по координате Z