Атомная реконструкция поверхностей; структура $7 \times 7$
Самые элементарные соображения позволяют утверждать, что расположение атомов в поверхностном слое, вообще говоря, не такое, как внутри кристалла. В объеме идеального кристалла все валентные связи насыщены, но в процессе образования поверхности, например при раскалывании кристалла, связи между атомами разрываются, а создававшие их электронные пары распадаются на независимые электроны, готовые образовать новые связи - их называют оборванными связями. Такая ситуация энергетически очень невыгодна, поэтому, стремясь к равновесию, поверхностные электроны будут образовывать дополнительные связи между атомами на самой поверхности с тем, чтобы число оборванных связей существенно сократилось. В частности, соседние атомы, образуя дополнительные связи между собой, объединяются в пары - димеры, вследствие чего атомы каждого димера сближаются друг с другом, удаляясь от соседних атомов. В результате на поверхности изменяется порядок кристаллической решетки и происходитреконструкция (то есть образуется новая сверхструктура).
Кроме реконструкции происходит еще один процесс перестройки - релаксация поверхности. В идеальном кристалле силы, действующие снизу на атомы, расположенные в объемной плоскости, уравновешиваются силами, действующими сверху. Но если эта плоскость оказывается на поверхности, то из-за отсутствия сил сверху первый слой атомов сместится ближе ко второму, второй - к третьему и т.д.
К сожалению, предсказать, какая конфигурация образуется на самом деле (или рассчитать ее по минимуму энергии), практически невозможно из-за бесконечного количества возможных моделей. Кроме того, появление той или иной реконструкции, которые зачастую мало различаются по энергии, в первую очередь определяется технологией обработки образца.
Одной из наиболее вызывающих и интригующих проблем в физике поверхности более 30 лет была структура поверхности Si(111)- . Ранее с помощью метода ДМЭ было установлено, что эта реконструкция характеризуется периодом, превышающим период объемной решетки в 7 раз, и элементарной ячейкой, содержащей 49 атомов, однако детальное расположение этих атомов в ячейке оставалось неопределенным, а многочисленные (свыше двух десятков) модели этой структуры зачастую противоречили друг другу. На рис. 3, а приведено знаменитое туннельное изображение с атомным разрешением реконструкции поверхности Si(111) в прямом (а не обратном) пространстве, характерными особенностями ромбической элементарной ячейки которой являются угловая ямка и 12 выступов - так называемых адатомов. На рис. 3, б приведено СТМ-изображение подобной поверхности, но в более традиционном для настоящего времени представлении. Впоследствии поверхность Si(111)- стала использоваться в качестве своего рода эталона для проверки работоспособности СТМ.
Полученный результат (рис. 3, а) позволил полностью исключить из рассмотрения все многочисленные модели поверхности Si(111)-. Несколько позже группе японских физиков под руководством К. Такаянаги на основе результатов экспериментов по просвечивающей электронной микроскопии и электронографии удалось построить свою, так называемую DAS-модель реконструкции (рис. 3, в), которая предполагает реконструкцию и более глубоких слоев в приповерхностной области. DAS-модель хорошо согласуется с результатами большинства экспериментов, выполненных с использованием рассеяния ионов средних энергий, дифракции рентгеновских лучей, ионного каналирования, СТМ, и в настоящее время считается общепринятой.
Яркие результаты, полученные на поверхности Si(111)-, привлекли внимание к СТМ большого количества последователей, многим из которых удалось построить свои варианты прибора и в итоге также получить атомное разрешение (1985 год). С тех пор атомное разрешение стало официально установленным, а СТМ - общепризнанной методикой. И понадобилось минимальное время, чтобы об этом узнал широкий круг ученых и созрело общественное мнение о значимости работ Биннига и Рорера.
СТМ-изображения при различных напряжениях смещения; исследование адсорбции
Если наблюдать СТМ-изображения при различных напряжениях смещения Vs или, отключив на короткое время цепь обратной связи, снять зависимость туннельного тока It от Vs при постоянном значении зазора  между острием и образцом, можно получить картину распределения оборванных связей, а также других электронных состояний, отвечающих разным энергиям, поскольку в процессе туннелирования в этом случае будут участвовать электроны с разными энергиями (из зоны проводимости, валентной зоны или локализованных состояний). Дальнейшее развитие этого подхода привело к появлению сканирующей туннельной спектроскопии, при которой измеряется зависимость dIt /dVs = f(Vs), непосредственно связанная с локальной плотностью состояний в окрестности уровня Ферми.
Уровнем Ферми называется наивысший занятый электронами уровень при Т=0, соответственно энергией Ферми  - энергия этого уровня. В импульсном пространстве уровень Ферми является изоэнергетической поверхностью (то есть поверхностью постоянной энергии, = const), отделяющей занятые состояния от свободных, эту поверхность называют также ферми-поверхностью.
Что касается самих СТМ-изображений, то оказалось, что изображения, полученные при разных Vs (то есть соответствующие разным энергетическим состояниям), выглядят по-разному (рис. 4, а и б ). Так, выступы, наблюдаемые на изображении заполненных состояний (рис. 4, а), обусловлены туннелированием в зону проводимости кремния через оборванные связи адатомов, в то время как впадины, видимые на изображении незаполненных состояний, определяются туннелированием электронов из валентной зоны или локализованных состояний кремния в острие через оборванные связи rest-атомов (так называют атомы первого поверхностного слоя) и атомов, расположенных в угловых ямках.
 |
| Рис. 4. СТМ-изображения поверхности Si(111)- при разных напряжениях смещения: а - Vs = + 2,4 В, так называемое изображение заполненных состояний, электроны туннелируют из острия в образец; б - Vs = - 2,4 В, изображение незаполненных состояний, электроны туннелируют из образца в острие-зонд; в - Vs = +1,6 В, изображение заполненных состояний, полученное в режиме линейной шкалы; стрелками указаны угловые дырки
|
Таким образом, СТМ способен отображать локализованные состояния электронов, в частности распределение плотности состояний в прямом пространстве и расположение уровней на энергетической шкале. Но это означает, что СТМ позволяет наблюдать не сами атомы, а распределение в пространстве вокруг атомов плотности электронов различной энергии и дает не просто топографию, а скорее изображение электронной структуры поверхности в окрестности уровня Ферми. Это обстоятельство, с одной стороны, существенно повышает информативность метода, с другой - затрудняет расшифровку истинных поверхностных атомных структур.
Безусловно, поведение электронов, энергии которых близки к уровню Ферми, отделяющему занятые состояния от свободных, наиболее важно, так как при любом воздействии на поверхность (термическом, освещении, адсорбции) уровни, ближайшие к , легче отдают или принимают электроны, то есть именно они определяют основные свойства поверхности.
До сих пор мы говорили только о чистых поверхностях. Для поверхностей, покрытых адсорбированными пленками, зависимость СТМ-изображений от напряжения смещения может проявляться еще в большей степени, так как некоторые адсорбаты (например, атомы щелочных металлов) даже в очень небольших количествах в состоянии кардинально изменить электронную структуру поверхности. Поэтому интерпретация СТМ-изображений адсорбированных слоев должна проводиться наиболее тщательно и обычно предполагает построение в каждом конкретном случае соответствующей структурной модели поверхности. Тем не менее именно непосредственные исследования на месте (in situ) адсорбции и начальных стадий роста кристаллов являются основной и наиболее увлекательной сферой применения СТМ.
Заключение
Мы кратко рассмотрели историю создания СТМ и получения структурных и электронных изображений поверхности с атомным разрешением. С момента своего изобретения СТМ широко используется учеными самых разных специальностей, охватывающих практически все естественнонаучные дисциплины начиная от фундаментальных исследований в области физики, химии, биологии и до конкретных технологических приложений. Принцип действия СТМ настолько прост, а потенциальные возможности так велики, что невозможно предсказать его воздействие на науку и технику даже ближайшего будущего.
Как оказалось в дальнейшем, практически любые взаимодействия острийного зонда с поверхностью (механические, магнитные ...) могут быть преобразованы с помощью соответствующих приборов и компьютерных программ в изображение поверхности. В настоящее время существует уже целое семейство так называемых сканирующих зондовых микроскопов: атомно-силовой, магнитный силовой, ближнего поля - основные характеристики которых (в первую очередь разрешающая способность) вплотную приблизились к характеристикам СТМ. Например, атомно-силовой микроскоп не требует, чтобы образцы были проводящими, и позволяет при этом исследовать структурные и упругие свойства проводников и изоляторов, а также комбинацию изображений электронных и упругих свойств мягких материалов.
Автор выражает глубокую благодарность д-ру Г. Рореру и проф. Т. Сакураю за многочисленные обсуждения предмета данной статьи, позволившие воспроизвести историю создания СТМ из первых рук.
Рецензент статьи В.П. Петров
|
