Сканирующий туннельный микроскоп

 

Изобретение относится к туннельной электронной микроскопии и может быть использовано в приборах для исследования физических свойств поверхностей твердых тел с разрешающей способностью порядка размеров атомов. Целью изобретения является увеличение чувствительности микроскопа и области сканирования за счет снижения влияния вибрационных помех и независимого регулирования управляющих напряжений, подаваемых на пьезоэлементы системы перемещения измерительной иглы и образца. Сканирующий туннельный микроскоп содержит два идентичных по форме и размерам трубчатых пьезоэлемента, которые расположены соосно и закреплены на корпусе противоположными торцами. На смежных торцах расположены напротив друг друга держатели образца и измерительной иглы, причем разность масс держателей не превышает 0,24 массы трубчатого пьезоэлемента. 1 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5И 4 Н 01 J 37/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Целью изобретения является увеличение чувствительности микроскопа и области сканирования за счет снижения влияния вибрационных помех и независиГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4427045/24-21 (22) 03 ° 03.88 (46) 23.12,89. Бюл. 11 47 (71) Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов АН СССР и Московский институт стали и сплавов (72) А.П.Володин и В.С.Эдельман (53) 621.385.833(088.8) (56) Бинниг Д, и Рорер Г. Растровый туннельный микроскоп. — В мире науки, 1985, М- 10, с. 26.

Бинниг Д. и Смит Д. Трубчатый трехкоординатный пьезопреобразователь для растрового туннельного микроскопа.

Приборы для научных исследований, 1986, М 8, с. 152. (54) СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП (57) Изобретение относится к туннельной электронной микроскопии и может

Изобретение относится к туннельной электронной микроскопии и может быть использовано в приборах для исследования физических свойств поверхностей твердых тел с разрешающей способностью порядка размеров атомов, в частности атомной структуры твердых тел, электронных свойств твердых тел н атомном масштабе, процессов адсорбции и поверхностной диффузии атомов и молекул, строения молекул и субмикроскопических объектов, а также биологических процессов и контроля изделий микроэлектроники.

2 быть использовано в приборах для исследования физических свойств поверхностей твердых тел с разрешающей способностью порядка размеров атомов, Целью изобретения является увеличение чувствительности микроскопа и области сканирования за счет снижения влияния вибрационных помех и независимого регулирования управляющих напряжений, подаваемых на пьезоэлементы системы перемещения измерительной иглы и образца. Сканирующий туннельный микроскоп содержит два идентичных по форме и размерам трубчатых пьезоэлемента, которые расположены соосно и закреплены на корпусе протигоположными торцами. На смежных торцах расположены напротив друг друга держатели образца и измерительной иглы, причем раз- ность масс держателей не превышает

0,24 массы трубчатого пьезоэлемента.

1 ил., 1 табл. мого регулирования управляющих напряжений, подаваемых на пьезоэлементы системы перемещений измерительной иглы и образца.

На чертеже представлена конструктивная схема гуннельной ячейки микроскопа.

Все детали сканирующего туннельного микроскопа закреплены на жестком корпусе 1. Идентичные трубчатые пьеэо1531181 элементы 2 и 3 из пьезокерамики с нанесенными на нее электродами управления закреплены своими торцами на противоположных сторонах корпуса и уста5 новлены соосно друг другу.

На свободных торцах первого 2 и второго 3 пьезоэлементов установлены идентичные втулки 4, на которых закреплены соответственно цилиндрический держатель 5 измерительной иглы

6 и цилиндрический держатель 7 образца 8, Втулки 4 выполнены, например, в виде цанговых зажимов с пружинящими лепестками, охватывающими цилиндрические держатели. Держатели 5 и 7 выполнены так, что их массы не пренышают 0,24 массы пьезоэлементов.

Сканирующий туннельный микроскоп работает следующим образом. 20

Предварительно между образцом 8 и измерительной иглой 6 устанавливают зазор 0,1-1 мкм. Далее под воздействием управляющего напряжения U, прикладынаемого к электродам первого пье.25 зоэлемента 2 и вызывающего его удлинение (или укорочение — в зависимости от знака приложенного напряжения), происходит дальнейшее сближение иглы и образца и при достижении зазора н несколько ангстрем между ними возникает туннельный ток, который в последующем схема автоматического управления поддерживает на заданном уровне.

Сканирование по направлениям X u

Y проводится подачей соответствующих управляющих напряжений по строкам и кадрам.

Использование н конструкции двух идентичных трубчатых пьезоэлементов 40 позволяет один из них применить для сканирования иглы в плоскостях Х, У, а другой — для задания взаимного перемещения иглы и образца по оси Z.

Тем самым достигается то, что каждое из управляющих напряжений может изменяться во всем допустимом диапазоне, т ° е. размеры области сканирования увеличиваются в 2-3 раза по сравнению с известным микроскопом. Оц нако в отличие от измерительной иглы, имеющей ничтожно малую массу, держатель образца обычно имеет массу а сравнимую или большую массы пьезоэлемента m„,.

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 н пределах 1 -106И6

100 Гц, амплитуды — в пределах 1—

10 мкм. Собственные частоты колебаний элементов сканирующих туннельных микроскопов лежат в диапазоне с Б, 1—

100 кГц. Таким образом, всегда выполняется условие 3 ьи6 (сОБс . При этом условии амплитуды взаимных колебаний деталей прибора ослабляются в (1 /4 „ ) раз, по сравнению с амплитудой колебаний корпуса прибора. В предлагаемом сканирующем туннельном микроскопе, как и н известном, наименьшую собственную частоту имеют изгибные колебания трубчатого пьезоэлемента, и именно ими обусловлен myM, 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 0,2 нм, что недостаточно для проведения измерений с атомным разр;пением. Формула для найменьшей частоты собственных колебаний трубки может быть приведена к виду

1 К

2и 0 24ш э где К вЂ” изгибная жесткость, m „ Э вЂ” полная масса в данном случае трубчатого пьезоэлемента.

Если на конце пьезоэлемента укреплен компактный держатель образца с массой ш о, то формула преобразуется

К BHIJ,Q

1 К соус 2 ц m +0 24ш .о э, Э т . е . н этом случае амплитуда вибраций

1 m a <+0 24m n.g вырастет и (- --.- — -- -) раз, что сос0,24ш „

Tëâëÿåò -4 раза при mg o 7,0 г, благоцаря выполнению условия 4 „ с< )

153118

Масса пье- tacca дер- Масса дерзозлеменга ателя иг- жагеля обЧувсгвигельносгь, Микроскоп

r лы, г разца, r нм

0,172

69 0,4S

24 0,17

20 0,15

1,2 0,009

0,01

1,5

5,08

5,4

Известный

Предлагаемый

7,0

7,0

7,0

7,1 ний держателей относительно колебании станины, равным )i где я — декремент за.;хания свободных колебаний, который для пьезоэлементов мал, $ /2 4 g k 10 -10 ) . Поэтому при идентичных пьезоэлементах амплитуда относительных колебаний образца таад-m а, и иглы составляет — --- — -- от ам0,24ш „ плитуды колебаний иглы в известном микроскопе, и, таким образом, при (т -mph ) < 0,24m„ 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- 20 ше конструктивных размерах сканирующего туннельного микроскопа составляет доли грамма ослабление вибраций будет значительным.

Пример. В изготовленном ска- 25 нирующем туннельном микроскопе применены трубчатые пьезо"лементы с внешним диаметром 10 мм, длиной 32 мм, тог,щиной стенок 1 мм и массой m„

8 г, 30

Пьезоэлементы снабжены сплошными цилиндрическими внутренними и внешними электродами. У второго пьезоэлемента 3 внешний электрод был разрезан по образующей на четыре идентичных

35 секторных электрода, изолированных друг от друга. Управляющее напряжение

U подается на первый пьезоэлемент 2, управляющие напряжения UFF(U ) подаются на ортогонально расположенные пары 40 секторых электродов. Держатели образца и иглы имеют одинаковую массу, равную 7 г. Материал пьезоэлемента выдерживает электрическое поле напряжен1 6 ностью до 10 кВ/см, поэтому возможно изменение напряжений U,(U ) в пределах + 2 кВ, что обеспечивает диапазон сканирования в плоскости Х, Y 40х х40 мкм, т.е. в 2-3 раза больше по сравнению с известным микроскопом.

Чувствительность измеряется по шумовому сигналу сканирующего туннельного микроскопа и составляет 0,02 нм при времени измерения 1 с.

В таблице приведены данные, показывающие влияние различия массы держателей на чувствительность туннельного микроскопа в реальных лабораторных условиях, вибрации пола с амплитудой

1 мкм, частотой 100 Гц (измерено сейсмографом).

Как видно из приведенных примеров, предложенный сканирующий туннельный микроскоп обладает большей в 10-20 раз 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 образна и систему управления, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительнос-.и и области сканирования, он снабжен вторым трубчатым пьезоэлементом, идентичным по форме и размерам первому трубчатому пьсзоэлементу, 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.

1531181

Составитель H.Ãàâðþøèí

Редактор Г.Волкова Техред Jl,Îëèéíûê Корректор М.Шароши

Заказ 7964/54 Тираж 696 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101