Компьютерное моделирование процесса взаимодействия зонда силового туннельного микроскопа с образцом на примере системы медь (зонд) - золото (образец)

C помощью CTM возможно проводить исследования локальной электронной структуры проводящих поверхностей с атомных разрешением. Знание структуры зонда CTM важно для качественной интерпретации данных CTM с атомным разрешением, улучшения параметров пространственного разрешения, поскольку электронная структура острия зонда влияет на условия туннелирования электронов в разных участках образца.

Известно, что существенная часть ошибок измерений нанорельефа поверхности туннельным микроскопом может быть обусловлена особенностями управления движением зонда [161,162,163]. Таким образом, с одной стороны учет геометрии острия иглы при интерпретации измерений позволяет существенно уменьшить вклад указанных ошибок, с другой стороны уже разработаны запатентованные методы обработки изображений, повышающие уровень соответствия рельефа поверхности физическим условиям сканирования [164].

В связи с вышеизложенным, математическое моделирование изменения формы и размеров острия в процессе сканирования является актуальным и существует возможность, используя имеющиеся результаты измерений нанорельефа, определять их именно из математической модели процесса сканирования. Влияние на получаемые результаты сканирования может оказывать колебания основания туннельного микроскопа, так и так и колебания подвеса зонда [165]. Однако использование тензоплатформ и лабораторных столов с антивибрационным покрытием к настоящему времени позволяет существенно снизить степень влияние вышеназванных факторов.

Одним из приложений CTM и спектроскопии является исследование неоднородности электрических свойств образцов сложного состава. В этом случае совместный анализ морфологии поверхности и ВАХ, снятых в различных точках поверхности, позволяет судить о распределении различных фаз на поверхности

композитных структур, исследовать корреляции между технологическими параметрами их получения и электронными свойствами.

измерения BAX неприемлемо наличие механического контакта между образом и острием или даже частичный перенос вещества острия на образец, однако данная технология может быть использована при реализации поверхностной модификации в нанометровой области образца с использованием CTM [169-172]. К настоящему времени существует способ получения зондов с заданной электронной структурой при использовании ориентированных монокристаллических игл с заранее известной кристаллографической структурой [173], актуальной задачей является моделирование процессов, происходящих при технологическом использовании зонда.

Как уже отмечалось в пункте 4.2, моделирование взаимодействия острия зонда (медь) с поверхностью образца (золото) в процессе нагревания зонда при прохождении туннельного тока для различных конфигураций острия было произведено методом Монте-Карло (схема Метрополиса [156]).

Для описания взаимодействия использовался многочастичный потенциал Гупта, (как и другие металлические потенциалы, он является многочастичным и зависит от локальной плотности), который хорошо зарекомендовал себя для описания металлических систем [151,152]. Потенциал Гупта подробно описан нами в пункте 4.1. В Таблице 1 представлены параметры для системы медь - золото [151,152].

Таблица 1. Параметры потенциала Гупта для системы медь - золото.

Медь выбрана в качестве металла, из которого изготовлен зонд, поскольку параметры потенциала Гупта для системы вольфрам - золото (вольфрамовая

проволока традиционно используется для изготовления зондов в CTM [173]) в литературе не встречаются, что, по-нашему мнению, не изменит качественно результаты моделирования.

На рис.

Отметим, что при исследовании характеристик туннельного контакта металл - металл (в частности, получения ВАХ) необходим тщательный учет параметров, влияющих на туннельный ток, для извлечения информации об электронной структуре образца. Форма и ширина туннельного барьера и их изменение от приложенного напряжения оказывают существенное влияние на получаемые данные. Для анализа экспериментальных данных необходим детальный учет прозрачности туннельного барьера. Причем эффект термического расширения острия оказывает существенное влияние на форму вольт-амперных характеристик системы даже при малых по сравнению с работой выхода напряжениях смещения. В этом случае изменение длины острия происходит в основном за счет термического расширения. При этом было экспериментально установлено [168], что вклад энергии Джоуля - Ленца пренебрежимо мал в сравнении с вкладом энергии Ноттингама. При этом тепловое расширение острия может достигать величин, сравнимых с шириной туннельного промежутка, и возможно возникновение лавинообразного процесса теплового расширения острия, приводящего к возникновению контакта между острием зонда и поверхностью образца.

104

Рис. ЗО. Система острие - образец до (верхний рисунок) и после проведения (нижний рисунок) процесса моделирования.

Рис. 31. Система острие - образец до (верхний рисунок) и после проведения (нижний рисунок) процесса моделирования. Конфигурация зонда - конус. Расстояние между образцом и острием в начальной конфигурации составляет 0,15 нм.

105

Рис. 32. Система острие - образец до (верхний рисунок) и после проведения (нижний рисунок) процесса моделирования. Конфигурация зонда - стержень. Расстояние между образцом и острием в начальной конфигурации составляет 0,1 нм.

Рис. 33. Система острие - образец до (верхний рисунок) и после проведения (нижний рисунок) процесса моделирования. Конфигурация зонда - стержень. Расстояние между образцом и острием в начальной конфигурации составляет 0,15 нм.

Доказательством этого служит проведенное нами моделирование взаимодействия острия зонда с поверхностью образца в процессе нагревания зонда при прохождении туннельного тока. Величина термического удлинения острия и его деформация при нагреве иглы током, протекающим в системе острие - образец, определяется материалом, из которого оно изготовлено. Несмотря на тот факт, что процесс образования наноструктур на поверхности образца носит вероятностный характер и зависит от амплитуды импульса напряжения (и соответственно величины термического расширения зонда), данная технология может быть использована в нанолитографии [174]. Необходимо отметить, что для измерения BAX неприемлемо наличие механического контакта между образом и острием или даже частичный перенос вещества острия (см. нижнюю картинку на рис. 33 после проведения процесса моделирования) на образец, однако данная технология может быть использована при реализации поверхностной модификации в нанометровой области образца с использованием CTM [169].

Заметим, что и для использования ACM также актуальной проблемой является учет влияния на картину взаимодействия как возможного контактного взаимодействия зонда ACM и образца, так и размерных поверхностных эффектов, связанных с его формой. Так, в работе [175] было проведено компьютерное моделирование контактного взаимодействия зонда ACM с поверхностью нелинейно-упругого полимерного материала. Показано, что геометрия зонда, а также расстояние между его вершиной и поверхностью образца являются ключевым фактором, определяющим межмолекулярные и поверхностные силы взаимодействия.

2.4.4.