Группа сканирующей зондовой микроскопии

сканирующий зондовый микроскоп OMICRON VT AFM XA

• Может использоваться для туннельной микроскопии и спектроскопии поверхности металлов и полупроводников в условиях сверхвысокого вакуума (P < 10^-10 мбар).
• Исследование образцов при застабилизированной температуре 35 К < T < 500 K с использованием проточного криостата He-4 и нагревателя.
• Возможность менять зонды in situ (карусель на 12 позиций).
• Доступные методы подготовки поверхности:
  1. 1. Скалывание слоистых образцов скотчем при давлении P~10^-8 мбар;
  2. 2. Пропускание тока через образец (источник тока 12.5 А, 60 В);
  3. 3. Резистивный прогрев (Tmax = 750^оC);
  4. 4. Травление ионами аргона.
• Есть возможность проводить исследования поверхности с помощью атомно-силовой микроскопии.

 

наверх

 

наверх

Сканирующий зондовый микроскоп OMICRON VT AFM XA
Основные узлы, из которых состоит прибор, перечислены ниже:

1. 1. Сверхвысоковакуумная (P < 10^-10 мбар) камера (на рис. обозначена цифрой 1) для анализа и подготовки поверхности производства OMICRON nanotechnology GmbH с манипулятором (2), имеющим четыре степени свободы и нагреватель для прогрева образцов (возможен прямой прогрев пропусканием тока и прогрев рядом расположенным резистором до 750^oC). Камера снабжена большим числом свободных фланцев, на которые можно устанавливать дополнительное оборудование. В настоящее время на один из них установлена оптика для дифракции медленных электронов (rear view LEED RVL 640, VG Scientific Limited).


2. 2. Сверхвысоковакуумная камера сканирующего туннельного микроскопа (3), соединенная с камерой анализа. На одном из ее фланцев раcполагается манипулятор wobblestick (4), который служит для перегрузки в микроскоп образцов и зондов с карусели на 12 позиций, располагающейся между камерами, или с манипулятора камеры анализа (положение карусели показано на рисунке стрелкой). Таким образом, есть возможность менять образцы и зонды in situ, без необходимости вынимать их из сверхвысокого вакуума всякий раз, когда нужно поставить новый образец или зонд.


3. 3. Узел сканирования зондового микроскопа на подвесе, подавляющем механические вибрации с помощью токов Фуко. Пьезосканер - кварцевая трубка, максимальный диапазон сканирования 10x10 мкм (в плоскости XY) и 1.5 мкм (вдоль направления Z), диапазон грубого перемещения пьезослайдера +-5 мм (XY) и 10 мм (Z).
   (более подробная информация об узле сканирования имеется на сайте http://www.omicron.de/en/products/variable-temperature-spm/technical-data)


4. 4. Шлюзовая камера, соединенная с камерой анализа, для загрузки образцов и зондов со стороны атмосферы.
   
5. 5. Несколько насосов для поддержания сверхвысокого вакуума. К ним относятся турбомолекулярный Pfeiffer Vacuum TMU 261 (5), магниторазрядный Varian VacIon plus 300 (6) и титановый сублимационный (с контроллером Varian) (7). Включение насосов и установка их рабочих параметров происходит со стойки управления, где размещены контроллеры насосов.


6. 6. Криостат проточного типа для He-4, соединенный с камерой микроскопа, который позволяет охлаждать образец до температуры T = 35 К, и контроллер Lakeshore 331 temperature controller для стабилизации температуры в диапазоне 35 K < T < 500 K.


7. 7. Усилитель с синхронным детектированием lock-in amplifier производства Princeton Applied Research (модель PAR 124), который служит для измерения переменного тока во время выполнения сканирующей туннельной спектроскопии.


8. 8. Блок MATRIX Control Unit, который является интерфейсом между компьютером и сигнальными кабелями микроскопа.


9. 9. Программа управления микроскопом MATRIX версии 3.0 (Omicron nanotechnology), а также лицензионная версия программы SPIP 4.8.4 (Image Metrology) для анализа полученных изображений.
   

 

наверх

 

Божко Сергей Иванович к.ф.-м.н., руководитель группы тел.: +7 (496) 522 82 19 e-mail: bozhko@issp.ac.ru
	Капустин Александр Альбертович к.ф.-м.н. тел.: +7 (496) 522 82 61 e-mail: kapustin@issp.ac.ru
Чекмазов Сергей Викторович аспирант ИФТТ РАН тел.: +7 (496) 522 83 48 e-mail: chekmazov@issp.ac.ru

 

наверх

Fig.1 Атомы теллура на поверхности топологического изолятора Bi2Te3. Размер картинки 13.5x13.5 нм, параметры: I =300pA, Vs =-0.5V (I - туннельный ток, Vs -напряжение, приложенное к образцу относительно зонда). Слева вверху видны 3 адатома, присоединившиеся к поверхности. Сканирование произведено платино-иридиевой иглой, отрезанной при атмосферных условиях и воткнутой в сверхвысоком вакууме в золотую пластинку.

Fig.2 Сканирующая туннельная спектроскопия над поверхностью p-Ge(100) легированного галлием (вверху) и над поверхностью топологическиго изолятора Bi2Te2Se (внизу). Обе поверхности были сколоты в сверхвысоком вакууме. В спектре германия виден провал, внутри которого сигнал dI/dV, пропорциональный туннельной плотности состояний, близок к нулю. Этот провал объясняется наличием в германии запрещенной зоны. Около границ валентной зоны (слева) и зоны проводимости(справа) начинается резкий рост туннельного сигнала. В спектре Bi2Te2Se, который с точки зрения объемных свойств является узкозонным полупроводником (с непрямой щелью), тоже виден провал. Но dI/dV сигнал остается конечным внутри провала и зависит приблизительно линейно от напряжения Vs, приложенного к образцу. Такое поведение туннельного сигнала можно объяснить присутствием на поверхности Bi2Te2Se состояний с дираковским спектром.

Fig.3 Спектроскопия тонких слоев диэлектриков на поверхности проводящих подложек. Слева: карта распределения туннельного тока при напряжении Vs= -4.4V на поверхности Si(111) покрытой тонким слоем (3нм) диэлектрика CaF2 . Темные области соответствуют пробитым участкам, светлые области - непробитым, где туннельный ток близок к нулю. Справа: вольт-амперные характеристики, измеренные над светлой (1) и темной (2) областями. При Vs > 0 ВАХ над участками 1 и 2 мало отличаются друг от друга, поскольку электроны туннелируют в зону проводимости CaF2 , которая лишь на 2 eV выше зоны проводимости Si(111), в то время как полная ширина запрещенной зоны в CaF2 составляет 12 eV. Обратная связь стабилизирует положение иглы над поверхностью при Vs=+4.2 V.

4a

4б

4в
Fig.4 Исследование ступенек на поверхности Bi2Te2Se. Обычно наблюдаются ступеньки толщиной кратной одному квинтету (примерно 1 нм или пять атомных слоев, как изображено на схематическом рисунке 4а), к ним относится ступенька между областями 1 и 2. Таких ступенек большинство поскольку между квинтетами действуют слабые ван-дер-ваальсовы силы, а внутри квинтетов атомные слои связаны друг с другом весьма сильно. Иногда наблюдаются ступеньки, толщина которых составляет лишь половину толщины квинтета (см. ступеньку 0.5 нм между областями 3 и 5 на рисунке 4б). Такой профиль ступени свидетельствует о том, что верхний слой области 5 состоит из атомов селена. Это подтверждается отличием плотности состояний над областью 5 от плотности состояний, измеренной над областями 3 и 4, где в верхнем слое находятся атомы теллура. Мы предполагаем, что в процессе роста кристалла нарушился порядок чередования слоев, в результате чего над слоем атомов селена вместо висмута вырос слой атомов теллура, который стал нижней границей нового квинтета (рисунок 4в). Это привело к восстановлению порядка чередования слоев, но внутри кристалла возник дефектный слой, не полностью достроенный квинтет, состоящий всего из трех атомных слоев. Гипотетически, такие дефектные слои в Bi2Te2Se могут образовывать дополнительный канал проводимости, увеличивая вклад объема в полную проводимость кристалла.

 

наверх