Сканирующий туннельный микроскоп Советский патент 1989 года по МПК H01J37/20 

ел

оо

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.

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 в атомном масштабе, процессов адсорбции и поверхностной диффузии атомов и молекул, строения молекул и субмикроскопических объектов, а также биологических процессов и контроля изделий микроэлектроники.

Целью изобретения является увеличение чувствительности микроскопа и области сканирования за счет снижения влияния вибрационных помех и независимого регулирования управляющих напряжений, подаваемьк на пьезоэлементы системы перемещений измерительной иглы и образца.

На чертеже представлена конструктивная схема туннельной ячейки микроскопа.

Все детали сканирующего туннельного микроскопа закреплены на жестком корпусе 1. Идентичные трубчатые пьезо00

элементы 2 и 3 из пьезокерамики с нанесенными на нее электродами управления закреплены своими торцами на противоположных сторонах корпуса и установлены 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 пру))инящи- ми лепестками, охватывающими цилиндрические держатели. Держатели 5 и 7 выполнены так, что их массы не пре- вьппают 0,24 массы пьезоэлементов.

Сканирующий туннельный микроскоп работает следующим образом.

Предварительно между образцом 8 и измерительной иглой 6 устанавливают зазор 0,1-1 мкм. Далее под воздействием управляющего напряжения U, прикладываемого к электродам первого пье зоэлемента 2 и вызывающего его удлинение (или укорочение - в зависимости от знака приложенного напряжения), происходит дальнейщее сближение иглы и образца и при достижении зазора в несколько ангстрем между ними возникает туннельный ток, который в последующем схема автоматического управления поддерживает на заданном уровне. Сканирование по направлениям X и Y проводится подачей соответствующих управляющих напряжений по строкам и кадрам.

Использование в конструкции двух идентичных трубчатых пьезоэлементов позволяет один из них применить для сканирования иглы в плоскостях X, Y, 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. Онако в отличие от измерительной иглы имеющей ничтожно малую массу, держатель образца обычно имеет массу т„р, сравнимую или большую массы пьезоэле мента т .

Анализ влияния внешних вибраций на чувствительность микроскопа в этом случае показывает следующее.

5

0

5

0

Под воздействием вибраций происходит взаимное смещение образца и измерительной иглы, что приводит к появлению шумового сигнала. Частоты вибраций лежат обычно в пределах- j -l 0- 100 Гц, амплитуды - в пределах 1- 10 мкм. Собственные частоты колебаний элементов сканирующих туннельных микроскопов лежат в диапазоне-VcoBc - 100 кГц. Таким образом, всегда выполняется условие 5 д, ; - g . При этом условии амплитуды взаимных колебаний деталей прибора ослабляются в соБс / ВИБ- раз, по сравнению с амплитудой колебаний корпуса прибора. В предлагаемом сканирующем туннельном микроскопе, как и в известном, наименьшую собственнз,то частоту имеют из- гибные колебания трубчатого пьезоэле- мента, и именно ими обусловлен шум. Так, наименьшая собственная частота изгибных колебаний трубчатого пьезо- элемента, 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 Томным разрс. иением. Формула для наименьшей частоты собственных колебаний трубки может быть приведена к ви- ДУ

со5с

1 I К 21Г Л|о,24т;,,

где К - изгибная жесткость;

га - полная масса в данном случае трубчатого пьезоэлемента.

Если на конце пьезоэлемента лен компактный держатель образца с

массой m к виду

,0

то формула преобразуется

0

5

1 |К

oSc- 27 m ;0,24m,,/ о

т.е. в этом случае амплитуда вибраций

I,,24гап.9л

вырастет в Р, что п.э тавляет раза при ,0 г.

годаря выполнению условия V лиR ; v

бла6 ЛБ СОбс

и образец и игла колеблются в фазе друг с другом, поскольку они колеблются в фазе с внешним воздействием (пренебрегаем малым сдвигом фазы колеба-

НИИ держателей относительно НИИ станины, равным

колебастанины, равным соБс где J - декремент зггтухания свободны колебаний, который для пьезоэлементов мал, 10-2-10-3). Поэтому при идентичных пьезоэлементах амплитуда относительных колебаний образца

Шлл-га а- ц

и иглы составляет -;5-пГ - от ам0,24и„,,

плитуды колебаний иглы в известном микроскопе, и, таким образом, при () 0,24mf, 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 определяется массой последнего, и так как реально его масса при приведенных выше конструктивных размерах сканирующего туннельного микроскопа составляет доли грамма ослабление вибраций будет значительным.

П р и м е р. В изготовленном сканирующем туннельном микроскопе применены трубчатые пьеэозлементы с внешним диаметром 10 мм, длиной 32 мм, толщиной стенок 1 мм и массой т- 8 г.

Пьезоэлементы снабжены сплошными цилиндрическими внутренними и внешними электродами. У второго пьезоэле- мента 3 внешний электрод был разрезан ло образующей на четьфе идентичных секторных электрода, изолированных друг от друга. Управляющее напряжение и подается на первый пьезозлемент 2, управляю1цие напряжения U;((Uuj подаются на ортогонально расположенные пары секторых электродов. Держатели образца и иглы имеют одинаковую массу, равную 7 г. Материал пьезоэлемента выдерживает электрическое поле напряженИзвестныйПредлагаемьв

0

5

0

5

0

5

0

ностью до 10 кВ/см, поэтому возможно изменение напряжений Uv(Uu) в пределах ±2 кВ, что обеспечивает диапазон сканирования в плоскости X, Y 40х х40 мкм, т.е. в 2-3 раза больше по сравнению с известным микроскопом.

Чувствительность измеряется по щу- мовому сигналу сканирующего туннельного микроскопа и составляет 0,02 ям 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, предложенньй сканирующий туннельный микроскоп обладает большей в 10-20 раз чувствительностью.

Формула изобретения

Сканирующий туннельный микроскоп, содержащий корпус, трубчатый пьезо- элемент, один торец которого закреплен на корпусе, а на другом торце уста ;овлен держатель измерительной иглы, держатель образца и систему управления J отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и области сканирования, он снабжен вторым трубчатым пьезоэле- ментом, 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.

ю

tv