ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, приведен краткий обзор статей, описывающий как современное состояние исследуемой области, так и конкретное место, которое данная работа занимает в ней.

В первой главе представлен обзор современного состояния исследований в области изучения морфологических, фрактальных характеристик наночастиц, электрических свойств туннельного контакта зонд-образец методами атомной и туннельной микроскопии, в частности, отмечены теоретические и практические аспекты изучения фрактальной размерности в наносистемах. Кроме того, рассмотрена проблема взаимосвязи между механизмом напыления наноразмерных пленок и их морфологическими характеристиками. В постановочном плане рассматривается вопрос моделирования формы зонда и механизма его взаимодействия с образцом.

Во второй главе описаны технологические основы современных сканирующих зондовых микроскопов, проведен обзор основных методик туннельной микроскопии (методы постоянного тока и постоянной высоты). Изложена методика подготовки образцов для изучения фрактальной размерности и электрических свойств образцов с помощью сканирующего туннельного микроскопа. К объектам для исследования на СТМ предъявляются два основных требования: низкая шероховатость поверхности и хорошая проводимость материала.

Кроме того, излагаются вспомогательные, но важные результаты, связанные с пониманием процессов, влияющих на формирование СТМ изображения. Эти результаты получены на основе компьютерного эксперимента c использованием метода Монте-Карло [1] для моделирования процесса взаимодействия зонда СТМ с образцом на примере системы медь (зонд) - золото (образец).

поверхности образца. В связи с этим моделирование взаимодействия зонда СТМ и образца является важной задачей в целях разработки рекомендаций по технологическому использованию СТМ для применения к конкретным задачам физики и химии поверхности на атомном уровне, изучения трибологических свойств поверхности, а также может быть важным при исследовании биологических структур. Должна приниматься во внимание возможность выхода из строя зонда СТМ, приводящая к искажению визуальной картины поверхности образца и изменению параметров проводимости между образцом и зондом, что существенно ограничивает применение СТМ для изучения больших площадей образца с высоким разрешением для определения геометрических параметров наноструктур, в том числе фрактальных. Параметры потенциала взяты из [2]. При моделировании была выбрана медь в качестве металла, из которого изготовлен зонд, поскольку перекрестные параметры потенциала Гупта для системы вольфрам - золото в литературе не встречаются, что, по нашему мнению, не изменит качественно результатов моделирования.

На рис. 1 -4 показана эволюция системы острие - образец до и после проведения процесса моделирования для различных конфигураций острия: стержень и конус, а также для различных расстояний между образцом и острием зонда в начальной конфигурации. Очевидно, что термическое удлинение острия зонда может привести как к механическому контакту между образцом и острием (см. рис. 1 -3), так и к частичному переносу вещества зонда на образец (случай изображен на рис. 4). Начальная конфигурация соответствует комнатной температуре 293 K. В моделируемых случаях изменение температуры при термическом расширении до контакта кс образцом для конфигурации конус составляет 150K, а для случая стержня - 177 K, что находится в хорошем согласии с результатами работы [3].

Процесс образования наноструктур на поверхности образца носит вероятностный характер и зависит от амплитуды импульса напряжения (и соответственно величины термического расширения зонда). Необходимо

отметить, что для измерения ВАХ неприемлемо наличие механического контакта между образцом и острием или даже частичный перенос вещества острия (см. правую картинку на рис. 4 после проведения процесса моделирования) на образец, однако данная технология может быть реализована при поверхностной модификации (нанолитографии) образца с использованием СТМ.

Рисунок 1. Система острие - образец до (а) и после проведения (б) процесса моделирования. Конфигурация зонда - конус. Расстояние между образцом и острием в начальной конфигурации составляет 0,1 нм.

Рисунок 2. Система острие - образец до (а) и после проведения (б) процесса моделирования. Конфигурация зонда - конус. Расстояние между образцом и острием в начальной конфигурации составляет 0,15 нм.

Рисунок 3. Система острие - образец до (а) и после проведения (б) процесса моделирования. Конфигурация зонда - стержень. Расстояние между образцом и острием в начальной конфигурации составляет 0,1 нм.

Рисунок 4. Система острие - образец до (а) и после проведения (б) процесса моделирования. Конфигурация зонда - стержень. Расстояние между образцом и острием в начальной конфигурации составляет 0,15 нм

Третья глава посвящена непосредственному описанию экспериментальных результатов на примере образцов «золото на слюде», «серебро на слюде», «хром на стекле» по определению морфологических характеристик поверхности и факторов, влияющих на формирование рельефа образца. Размер изображения образца «золото на слюде» порядка половины микрометра, изменения по высоте составили 5,17 нм (см. рис. 5). Сканирование производилось на туннельном

микроскопе в режиме постоянной высоты. Для оценки морфологических характеристик нами были построены профили поверхности (см. рис. 6).

а б

Рисунок 5. Изображение поверхности в разных масштабах (а) и 3Dизображение нанопокрытия (б) образца «золото на слюде» (размер области сканирования 490? 490 нм²).

Рисунок 6. Профили поверхности образца «золото на слюде» по направлению диагоналей (а) и перпендикуляров, проведённых через центр изображения (б).

Рисунок 7. Гистограмма появления пиков на поверхности «золото на слюде».

В расчёт были приняты профили вдоль главной (черная линия на рисунке) и побочной (красная линия на рисунке) диагоналей, а также профили, проведённые перпендикулярно к краям рисунка через его центр. Проанализировав шероховатость поверхности, можно сделать вывод о том, что центр области сканирования имеет ярко выраженный пик, что может говорить о локации оседающих частиц с пучка при напылении в этом месте.

Также заметны часто повторяющиеся скопления частиц порядка 50 - 70 нм, что может говорить о довольно высокой скорости напыления и наличии своеобразных «центров конденсации», которые, в свою очередь, могут быть центрами роста/зарождения фрактальных структур. Из рис. 6 видно, что разница

высот между подобными скоплениями составляет порядка 1 нм. Для оценки поверхности нами построена гистограмма появления пиков, из которой следует, что наибольшая часть пиков приходится на -0,4 ÷+0,4 нм. Можно сделать вывод о том, что в целом поверхность достаточно однородна - типа «плато» (см. рис. 7).

Микроскопический анализ поверхности, полученной в результате протекания неравновесных физико-химических процессов, показывает, что для целого ряда макроскопических систем основным структурообразующим элементом является фрактальный кластер - объект дробной размерности [4]. При этом ряд теоретических и экспериментальных исследований по изучению физических свойств поверхностей с различной геометрией шероховатости, включая сложные фрактальные системы, показывает, что сильно флуктуирующие поля в масштабно-самоподобных объектах (например, фрактальные кластеры наночастиц благородных металлов) могут значительно превышать внешнее возбуждающее поле [5], а значит, влиять на свойства самой поверхности.

В основу фрактального анализа микроструктур изучаемых объектов была положена процедура представления их плоских электронных изображений в виде конечного дискретного множества простых элементов. Кроме того, учитывалось изменение рельефа поверхности. Анализ изображений проводился по методике, изложенной в работах [6, 7]. В [7] для расчета фрактальной размерности кластеров, образующихся в процессе роста пленок при различных температурах подложки и скорости напыления золота, полученные АСМ изображения морфологии поверхности покрывались двухмерной решеткой аналогичной размерности. При этом поверхность представлялась в виде системы двух уровней: нижнего («пусто») и верхнего («занято»). Ячейка решетки считается занятой, если высота в соответствующей точке снимка больше среднего значения, в противном случае ячейка решетки считается свободной. Занятые ячейки либо изолированы друг от друга, либо образуют группы (кластеры), состоящие из ближайших соседей. Фактически соприкасающиеся элементы определенной яркости образовывают структурные объекты - кластеры. Яркость того или иного элемента изображения свидетельствует о принадлежности или непринадлежности этого элемента к исследуемому кластеру (см. рис. 8).

После ввода границ области находился центр масс кластера, а после покрытия исследуемой области квадратами различного размера с центром в центре масс кластера производился подсчет числа элементов, принадлежащих кластеру, внутри каждого квадрата. Таким образом, формируются кластеры, структура которых определяется взаимным расположением занятых ячеек. Описанный метод определения фрактальной размерности был модифицирован в соответствии с [6], поскольку нами учитывалось изменение рельефа (высоты поверхности), что является своего рода аналогом метода триангуляции.

Для характеристики основного свойства фрактальных объектов - самоподобия их внутренней структуры - можно ввести понятие фрактальной размерности D_y, определяемой из соотношения

N = ( RI a '}°^f , (1)

где N - число частиц в кластере (число мономеров), R - линейный размер кластера (агрегата), a - размер частиц, из которых состоит кластер (средний размер мономера). Если структура объекта самоподобна, то график зависимости натурального логарифма числа частиц от натурального логарифма размера объекта будет линейным, а тангенс угла наклона определяет фрактальную размерность. Таким образом, изучение рельефа поверхности для системы кластеров и для каждого кластера в отдельности позволяет установить, является ли структура фрактальной. В конечном итоге мы получаем таблицу данных о распределении элементов по квадратам разных размеров и точечный график зависимости логарифма числа частиц внутри данного квадрата от логарифма его линейного размера (см. рис. 8). Для образца «золото на слюде» нами было проведено исследование поверхности и отдельных образований покрытия с точки зрения обнаружения фрактальной структуры.

Рисунок 8. К методике изучения фрактальной структуры покрытия (а - для исследования структуры в целом, б - для исследования отдельных кластеров).

На рис. 9 приведены графики зависимости (в дважды логарифмической шкале) числа частиц от размера кластера для отдельных участков и всей поверхности образца, полученные с помощью метода вложенных квадратов. Анализ полученных зависимостей показывает, что для поверхности в целом наблюдается линейная зависимость, как для размерности профиля, так и для размерности поверхности, и, следовательно, структура поверхности является фрактальной. Для описания системы фрактальных кластеров недостаточно определить фрактальную размерность какого-либо кластера в отдельности. Также для изучения структуры используют построение гистограммы вероятности обнаружения кластеров с определенной фрактальной размерностью на определенных участках поверхности (см. рис. 10), что позволяет провести анализ распределения отдельных фрагментов покрытия по фрактальной размерности, а также установить величину фрактальной размерности, преобладающей для данной поверхности.

Для профиля и поверхности образца «золото на слюде» наиболее вероятное значение фрактальной размерности лежит соответственно в диапазоне

1,00 ≤ d_l< 1,25 и 2,00 ≤ D_f≤ 2,25 (при получении образов были использованы пучки высокой плотности, в работе для пучков низкой плотности были получены следующие значения: 1,75 ≤ D_l ≤ 2,00 и 2,25 ≤ D_f≤ 2,50). В работе [5] исследовались пленки Au/ВОПГ, полученные при высоких скоростях осаждения. Установлено, что при определении фрактальной размерности посредством математической обработки изображений необходимо учитывать «инструментальную» погрешность двух типов: 1) искажение изображения; 2) собственная ошибка метода определения фрактальной размерности. Первая ошибка связана с искажениями, вносимыми самим прибором, и является устранимой, а также процедурой оцифровки изображения - «пиксельный эффект». Используемый нами метод определения фрактальной размерности связан в первую очередь с определением принадлежности того или иного кластера к выбранному участку «сетки» измерений (см. рис. 8). По нашему мнению, такой способ обеспечивает уменьшение ошибки измерений, т.к. в этом случае экспериментатор единожды учитывает принадлежность объекта изображения участку «сетки», и совершенно не важно, что любой участок (даже гладкий) границы объекта, не лежащий под углом 0^o,90^o,180^o,270^o, будет представлен заведомо хуже после оцифровки. В [8] полученная фрактальная размерность профиля Au/ВОПГ составляет d_l = 1,26 ± 0,09, что входит в интервал наиболее вероятных значений фрактальной размерности, полученных нами для образца «золото на слюде» (см. рис. 6). При этом максимальная фрактальная размерность без учета «пиксельного эффекта» составляет d_l: 1,7. Фрактальная размерность поверхности определялась для образцов Au/ВОПГ, полученных двумя методами: импульсным лазерным осаждением D_f: 2,6 и термическим осаждением D_f: 2,34. И несмотря на тот факт, что значение D_f: 2,34 не учитывает «пиксельного эффекта», который должен только уменьшить абсолютное значение фрактальной размерности, наши результаты по выявлению наиболее вероятных значений фрактальной размерности в целом совпадают с работой [8] при использовании фактически аналогичного метода получения образцов. На наш взгляд, серьёзным недостатком методики обработки изображений в [8] является существенная ошибка за счет «пиксельного эффекта» ∆D_i: 0,24, т.е. порядка 20% от D_l, и к данному значению должна быть добавлена ошибка самого метода определения фрактальной размерности - метода озер [9]. В нашем случае такая ошибка была бы даже больше величины интервала в распределении вероятности р обнаружения кластеров с определенной фрактальной размерностью (см. рис. 6).

Таким образом, результаты для отдельных кластеров в целом удовлетворяют уравнению связи фрактальной размерности для профиля и поверхности: D_l = D_f-1. При этом важно отметить, что распределение вероятности р в исследуемом образце кластеров с определенной фрактальной размерностью профиля и поверхности не является симметричным, при этом в нем наблюдается тенденция наличия соответствия минимумов и максимумов, что косвенно подтверждает выполнение уравнения связи. Установлено, что система кластеров на поверхности исследуемых нами образцов является фрактальной.

Кроме того, зависимость натурального логарифма частиц от натурального логарифма размера кластера для каждого кластера в отдельности близка к линейной, что позволяет в целом считать структуру отдельных кластеров профиля и поверхности фрактальной.

приведенного размера R* = R/ а кластера для обнаружения в образце «золото на слюде» всей поверхности образца «золото на слюде». ^{кластеров с определенной} ф^{рактально}й Фрактальные размерности исследуемого ^{размерностью профиля и поверхности}. образца: профиль - D_l = 1,85 ± 0,05,

поверхность - D_f = 2,07 + 0,02 .

В работе [10] авторы для оценки фрактальной размерности использовали данное соотношение:

где d- радиус кластера,- безразмерный параметр, который можно интерпретировать как приведенную плотность фрактального объекта. На количественное значение фрактальной размерности незначительно будет влиять параметр р , точнее, его логарифм. В целях сравнения получаемых результатов мы приведем полученные значения в [10] как для безразмерного параметра р*, так и значения фрактальной размерности D, определяемой по линейной аппроксимации отдельных значений D, а также среднее значение фрактальной размерности D, полученное расчетно, с учетом вероятности появления p_i отдельных значений d_l(см. Таблицу 1).

Таблица 1. Сравнение теоретических результатов данной работы и результатов работы [10] для пленок золота.

Исследуемые в [10] размеры изображения до шести раз меньше, чем полученные в данной работе. Получаемые результаты по порядку величины хорошо согласуются с результатами [10].

Также было проведено исследование морфологии рельефа и фрактальных свойств образца «серебро на слюде» (см. рис. 11). Было получено изображение образца «серебро на слюде» и 3Dизображение нанопокрытия. Размер изображения порядка 0,2 мкм, изменения по высоте составили 5,63 нм.

Рисунок 11. Изображение нанопокрытия в разных масштабах (а) и 3Dизображение нанопокрытия (б) образца «серебро на слюде» (размер 194?194 нм²).

Кроме того, были построены профили поверхности (рис. 12). В данном случае под hпонимается относительная высота/глубина участков рельефа.

Рисунок 12. Профили поверхности образца «серебро на слюде» по направлению диагоналей (а) и перпендикуляров, проведённых через центр изображения (б).

Рисунок 13. Гистограмма появления пиков на поверхности серебра.

Нулевой уровень выбран с учетом симметрии профиля. В расчёт были приняты профили вдоль главной (черная линия на рисунке) и побочной (красная линия на рисунке) диагоналей. Для оценки поверхности нами была построена гистограмма появления пиков, из которой следует, что наибольшая часть пиков приходится на -0,4 ÷+0,4 нм. Можно сделать вывод о том, что в целом поверхность

достаточно однородна - типа «плато», как и для образца «золото на слюде» (см. рис. 13).

Методика оценки фрактальной размерности образца «серебро на слюде» аналогична описанной для образца «золото на слюде». Остановимся в данном случае на особенностях полученных результатов для образца «серебро на слюде».

На рис. 1 4 приведены графики зависимости (в дважды логарифмической шкале) числа частиц от размера кластера для отдельных участков и всей поверхности образца, полученные с помощью метода вложенных квадратов. Для профиля и поверхности образца «серебро на слюде» наиболее вероятное значение фрактальной размерности лежит соответственно в диапазоне 1,00 ≤ D_l ≤ 1,25 и 2,00 ≤D_f≤2,50 (см. рис. 15), т.е. для поверхности образца диапазон значений фрактальной размерности несколько шире, чем соответствующий диапазон для образца «золото на слюде». При этом, по нашим оценкам, как и для образца «золото на слюде», для образца «серебро на слюде» были обнаружены кластеры с максимальными размерностями профиля и поверхности - соответственно D_l ≈ 1,9 и D_y ≈ 2,75 .

Рисунок 14. Зависимость числа частиц от Рисунок 15. Распределение вероятности P приведенного размера кластера для всей обнаружения в образце «серебро на слюде» поверхности образца «серебро на слюде». кластеров с определенной фрактальной Фрактальные размерности исследуемого размерностью профиля и поверхности. образца: профиль - D_l = 1,90 + 0,09, поверхность

- D_f = 2,11 + 0,04.

В [11] с использованием просвечивающей электронной микроскопии исследовались агломераты наночастиц серебра, полученные методами конденсации и выпаривания при дальнейшей коагуляции наночастиц. По итогам исследований были соответственно получены следующие значения фрактальной размерности профиля: D =1,84 ±0,03 (для агломератов серебра - размером 80 нм).

Проведено исследование морфологии образца «хром на стекле», получены 3Dизображения нанопокрытий хрома на диэлектрической поверхности (стекло) (см. рис. 16) и установлено, что на наноуровне структурные образования нанопокрытия хрома на диэлектрической подложке (стекло) могут быть

расположены равномерно и иметь размеры, значительно меньшие нанотехнологической границы 100 нм во всех направлениях, т.е. они относятся к наноструктурным образованиям (характерный размер порядка 40 -60 нм).

Отметим существующую неоднородность толщины пленки: на поверхности имеются структуры, отличающиеся по размерам. Глубина впадин лежит в пределах 30 нм, а высота пиков не превышает 15 нм. При этом анализ рис. 13 показывает, что образец в целом имеет достаточно ровные участки - «плато»,

Рисунок 16. 3Dизображения пленок хрома на диэлектрической поверхности (стекло): а - 1,6 ?1,6 мкм² и б - 3,0 ? 3,0 мкм².

Рисунок 17. Профиль поверхности образца «хром на стекле» по направлениям главной (черная кривая) и побочной (красная) диагоналей образцов, показанных на рис. 16.

Несмотря на то, что исследование именно таких структурных элементов нанопокрытия представляет интерес с точки зрения обнаружения фрактальной структуры, в данной работе получить хорошо разрешенные снимки образца «хром на стекле» с выявлением отдельных кластеров и агломератов не получилось, чтобы провести исследование фрактальных свойств покрытия. По-видимому, это связано с тем, что покрытие в целом получается более однородным, чем для пленок золота и серебра. Для оценки поверхности нами построена гистограмма появления пиков, из которой следует, что наибольшая часть пиков приходится на -0,2 ÷+0,2 нм (см. рис. 18). Можно сделать вывод о том, что в целом поверхность достаточно однородна - типа «плато», как и для образца «золото на слюде».

Рисунок 18. Гистограмма появления пиков на поверхности «хром на стекле».

СТМ позволяет исследовать не только морфологию поверхности образца, но и ее локальную электронную структуру. Получаемая из этих данных информация об электронной структуре образца может быть сильно искажена вследствие влияния различных факторов, которые не всегда можно учесть. С помощью СТМ можно снимать ВАХ туннельного контакта в различных точках поверхности, что позволяет судить о локальной проводимости образца и изучать особенности локальной плотности состояний в энергетическом спектре электронов.

Для регистрации ВАХ туннельного контакта в СТМ применяется следующая процедура. На СТМ изображении поверхности выбирается область образца, в которой предполагается произвести измерения. Зонд СТМ выводится сканером в соответствующую точку поверхности. Для получения ВАХ контакта обратная связь на короткое время разрывается и к туннельному промежутку прикладывается линейно нарастающее напряжение. При этом синхронно с изменением напряжения регистрируется ток, протекающий через туннельный контакт. Во время снятия ВАХ на время разрыва обратной связи на электрод сканера подается потенциал, равный потенциалу непосредственно перед разрывом. В каждой точке производится снятие нескольких ВАХ. Итоговая ВАХ получается путем усреднения набора ВАХ, снятых в одной точке. Усреднение позволяет существенно минимизировать влияние шумов туннельного промежутка.

Для характерных напряжений на туннельном контакте порядка 0,1 ÷1 В и туннельных токов на уровне 0,1 ÷1 нА сопротивление туннельного контакта Rпо порядку величин составляет 10⁸÷10¹⁰Ом. Как правило, сопротивление исследуемых в СТМ образцов Rсущественно меньше R, и характер ВАХ определяется, в основном, свойствами небольшой области образца вблизи туннельного контакта. Одним из приложений СТМ 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.

Было изучено влияние параметров туннельной системы на вид ВАХ на примере модельной системы острие (вольфрам) - образец (золото). На рис. 1 9 приведены результаты серии измерений ВАХ, сделанных без замены острия. После двух первых последовательных измерений наблюдается резкий скачок наклона графика (см. рис. 1 9), что свидетельствует о резком увеличении сопротивления туннельного контакта. Анализ статистики измерений показывает,

что уменьшение силы тока (по абсолютному значению) при U = ±0,5 В по сравнению со значением, фиксируемым при начале измерений, составляет в 2, 7 и 2, 0 раза соответственно. Отчасти это может быть связано с существованием на поверхности образца крупных агломератов, для которых кривые ВАХ при положительном напряжении могут иметь несколько другую форму в отличие от отдельных наночастиц [12].

Кроме того, можно сделать вывод, что электронная структура острия изменилась, что может быть объяснено массопереносом с образца на острие. Необходимо отметить, что в наиболее общем случае форма туннельного барьера зависит от работ выхода из материалов образца и острия, приложенного напряжения, расстояния между электродами. Кроме того, необходимо учитывать потенциал сил зеркального изображения. Проведенные расчеты ВАХ показали, что учет потенциала сил зеркального изображения приводит к различиям не только в значениях туннельного тока, но и в форме кривых.

Особый интерес представляет собой сравнение получаемых нами результатов с данными работы [13]. Расчеты были проведены без учета и с учетом потенциала сил зеркального изображения. Также при изменении напряжения между острием и образцом может происходить термический разогрев острия, вызванный энергией, выделяющейся в приповерхностной области острия в процессе туннелирования электронов (термическое расширение острия, связанное с выделением энергии Джоуля-Ленца, и термическое расширение острия, связанное с выделением энергии Ноттингама) [3].

Этот эффект может оказать влияние на ВАХ туннельного барьера, т.к. ширина зазора зависит от приложенного напряжения. Описанные выше эффекты изменяют значения силы тока в окрестности 2 B в 2 -3 раза. Расчеты [13] подтвердили возможность лавинообразного увеличения тока, приводящего к образованию электрического контакта между острием зонда и поверхностью образца. Характерной особенностью этого процесса является скачкообразное падение сопротивления туннельного промежутка при приложении модифицирующего импульса напряжения. При этом изменение температуры вершины острия остается невелико. Анализ и сопоставление результатов, представленных на рис. 1 9, показывают, что вид ВАХ для туннельного контакта вольфрам - золото совпадает, но по порядку величины туннельного тока они различаются, что связано, по- видимому, с исследованием пленок золота разной толщины в работе [13], а также разными методами получения пленок. Эффект термического расширения острия оказывает существенное влияние на форму ВАХ системы даже при малых, по сравнению с работой выхода, напряжениях смещения.

Было изучено изменение формы ВАХ для системы острие (вольфрам) - образец (серебро) при долговременном использовании зонда СТМ. Анализ ВАХ показывает существование «запрещенной зоны» только у образцов серебра (это говорит о наличии оксидной плёнки на поверхности). В каком-то смысле наличие оксидной пленки на поверхности серебра аналогично напылению слоя полимера с точки зрения влияния на форму ВАХ. Для пленок серебра, в отличие от пленок золота (см. рис. 1 9), изменение ВАХ со временем идет более плавно, и лишь

кривая, соответствующая наибольшему времени измерения, резко отличается при положительных напряжениях (см. рис. 20).

Рисунок 19. Кривые ВАХ для серии измерений Рисунок 20. Кривые ВАХ для серии измерений для контакта вольфрам - золото. для контакта вольфрам - серебро.

Рисунок 21 . Кривые ВАХ серии измерений для контакта вольфрам - хром.

На рис. 21 приведены результаты серии измерений ВАХ, сделанных без замены острия для образца (хром на стекле). Кривая, соответствующая одному из первых сканов (см. рис. 21, черная кривая), оказалась

асимметричной относительно знака напряжения, что свидетельствует о влиянии электронной структуры острия. При проведении многократных измерений с одним и тем же острием зависимость становится более симметричной относительно знака

напряжения (рис. 21, голубая кривая). В данном случае термический разогрев

острия, вызванный энергией, выделяющейся в приповерхностной области острия

в процессе туннелирования электронов при напряжениях порядка U = ±0,8 В,

приводит к уменьшению тока (по абсолютной величине) практически на 35% как для правой, так и для левой ветки ВАХ. Этот эффект также оказывает влияние на форму ВАХ туннельного барьера, т.к. ширина зазора зависит от приложенного напряжения. Насколько сильно влияние описанных выше эффектов на ВАХ,

можно видеть из сравнения кривых, соответствующих первому и последнему измерению серии (см. рис. 21) во всем диапазоне напряжений.

Геометрия зонда, а также расстояние между его вершиной и поверхностью образца являются ключевыми факторами, определяющими межмолекулярные и поверхностные силы взаимодействия, что может оказывать влияние на определяемые в эксперименте характеристики. Вопрос, насколько сильно влияние описанных выше эффектов на ВАХ, требует дополнительного рассмотрения и зависит прежде всего от выбранных экспериментальных образцов и типа рельефа

их поверхности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1) . Для образцов «золото на слюде», «серебро на слюде», «хром на стекле» определены морфологические характеристики отдельных объектов поверхности, а также факторы, влияющие на формирование рельефа образца.

2) . Для образцов «золото на слюде» и «серебро на слюде» исследованы отдельные участки профиля и поверхности на наличие фрактальных структур. Установлено, что система кластеров на поверхности исследуемых образцов является фрактальной.

3) . Для профиля и поверхности образцов «золото на слюде» и «серебро на слюде» установлены наиболее вероятные значения фрактальной размерности. На исследуемых образцах золота и серебра были обнаружены кластеры с максимальными размерностями профиля и поверхности соответственно D_£ ≈ 1,9 и D_χ ≈ 2,75 .

4) . В образцах «хром на стекле», полученных двумя различными способами напыления: термовакуумным и магнетронным, не образуются фрактальные структуры, в отличие от образцов «золото на слюде» и «серебро на слюде».

5) . Исследование ВАХ контакта металл - металл для образцов золота, серебра и хрома с острием из вольфрама показывает, что экспериментальные результаты свидетельствуют о необходимости тщательного учета параметров, влияющих на туннельный ток. Тепловое расширение острия может достигать величин, сравнимых с шириной туннельного промежутка, возможно возникновение лавинообразного процесса теплового расширения острия, приводящего к возникновению контакта между острием зонда и поверхностью образца, что подтверждается данными компьютерного моделирования.

6) . Методом Монте-Карло с использованием многочастичного потенциала Гупта проведено моделирование взаимодействия системы зонд (медь) - образец (золото) в зависимости от расстояния между ними для двух конфигураций острия: стержень и конус. В моделируемых нами случаях изменение температуры при термическом расширении зонда до контакта с образцом для конфигурации конус составляет 150K, а для случая стержня - 177K, что находится в хорошем качественном согласии с имеющимися экспериментальными данными и теоретическими оценками.