Введение к работе
- з -
Актуальность темы. Создание нового метода исследования поверхности, сканирующей туннельной, микроскопии, дало новый импульс в развитии ряда областей науки, таких как физика твердого тела, химия поверхности, биология, метрология. Интерес к сканирующему туннельному микроскопу вызван его исключительными свойствами:
I/ сверхвысокое разрешение / 0,02 А по нормали к поверхности образца и I * 2 А вдоль поверхности/, позволяющее получать микротопографии в трех измерениях в атомном масштабе;
2/ неразрушающая природа /энергия электронного пучка от I мэВ до 4 эВ/;
3/ возможность получения профиля работы выхода;
4/ возможность исследования распределения локальной плотности электронных состояний.
Неразрушающая природа СТМ и его способность работать в различных диэлектрических средах открывает пути исследования биологических молекул, практически не нарушая их структуры. Большой интерес представляет использование СІМ в качестве инструмента.для манипуляций с отдельными белковыми молекулами. Для физики пленок важное значение имеет исследование процесса формообразования зародышей, островковых пленок. Важные науч- . ные и практические результаты имеет изучение коррозии сплавов и образования из их объема новых фаз на поверхности. Принципиально новые возможности для исследования электронной структуры поверхности дает развитие метода сканирующей туннельной спектроскопии.
Целью данной работы была разработка и создание аппаратуры сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии поверх-
- 4 -ности в условиях воздушной среды и сверхвысокого вакуума, а также исследование структуры и электронных свойств фотосинтетических реакционных центров /Щ/, высокоориентированного пи-ролитического графита, корродирующих сплавов и островковых пленок металлов.
Первая задача состояла в нахождении адекватного метода измерения и обработки СИ данных для получения информации об электронной структуре образца.
Вторая задача включала создание аппаратуры туннельной микроскопии и спектроскопии, в состав которой входят: механическая часть СТА, размещенная в сверхвысоковакуумной камере УСУ-4, электронный блок микроскопа, управляющая ЭВМ.
Исследование ЕЦ включало определение оптимальных условий наблюдения, механизмов и каналов проводимости и разработку методики переноса и осаждения молекул на подложку. Другие задачи требовали изучения геометрической и электронной структуры поверхности.
Научная новизна. В результате проведенных на СТМ экспериментов:
I. Впервые определены условия наблюдения и получены СШ изображения фотосинтетических реакционных центров пурпурных бактерий. На изображениях выявлены области локальных структурных изменений при вариации потенциала зондирупцего острия. Определено положение уровня Ферми, указывающее на наличие чрезвычайно малой примесной проводимости h -типа / Р~10 Ом_1м-1/» не дающей заметного вклада в туннельный ток. Показано, что туннельный ток обеспечивается инжектированными с зондирупцего острия микроскопа электронами, избыточными для белковой цепи.
Впервые разработана методика контролируемого переноса. и осаждения на подложку отдельных биологических молекул и их кластерных образований.
3. Изучена асимметрия атомного изображения поверхност
ной решетки графита. Показано, что при достаточно большом
туннельном промежутке характер зависимости амплитуды атомной
гофрировки от напряжения отвечает теоретической зависимости
плотности электронных состояний от энергии. Индуцированные
электронные состояния, возникающие при малых зазорах игла-по
верхность уменьшают амплитуду гофрировки плотности состояний.
Предложена модель, в которой аномально большие амплитуды атом
ной гофрировки объясняются расслаиванием поверхности графита
на воздухе.
4. Определена трехмерная форма зародышей островковых пле
нок AU на монокристалле графита. Из наблюдений миграции кла
стеров получены оценки свободной энергии активации диффузии на
атомарно-гладкой поверхности графита и на краю золотого остров
ка.
-
Методом СТіА впервые исследована начальная стадия селективного растворения ?я в /?-латуни - опасного вида коррозии. Показано, что выделение медной Фазы на этой стадии определяет-. ся только диффузией атомов Си и может быть замедлено легирующими элементами /Лі , Sh и др/.
-
На пленках Ли исследованы кривые плотности электронных состояний и обратной длины затухания волновой функции электрона в барьере от энергии. Обнаружены поверхностные состояния с энергией &V = 0,15 эЗ. Впервые использована методика определения высоты потенциального барьера из экспериментальной зависимости обратной длины затухания от туннельного
напряжения, не требующая данных о зазоре игла-поверхность и нечувствительная к выбору модели туннелирования. Показано, что влияние сил изображения на. высоту барьера в настоящем эксперименте несущественно.
Практическая ценность. Отработана методика исследования структуры поверхности и электронной структуры с помощью СШ в жидкой и воздушной среде.
Продемонстрирована возможность использования СТМ для контролируемого перемещения отдельных молекул.
Показана возможность замедления коррозии сплавов введением добавок, снижающих подвижность поверхностных атомов.
Создана сверхвысоковакуумная СТМ-установка, работающая при базовом давлении 2*10 торр с разрешением по нормали к
О 0
поверхности ~ 0,2 А и го горизонтали «IA.
Апробация работы. Основные результаты были доложены на:
Третьем Всесоюзном Совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы". Ленинград 6-8 декабря 1988г.
УІ Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Звенигород 19-22 апреля 1989г.
Симпозиуме "Взаимодействие атомных частиц с поверхностью твердого тела". Ташкент 13-15 июня 1989г.
Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 8 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы; Объем ра-
