Поверхности твердых тел

С. Панкратов, кандидат физико-математических наук
В. Панов, доктор физико-математических наук

Проблемы поверхности вызывают сегодня, пожалуй, наибольший интерес у физиков. И не только научный интерес, но и самые разнообразные эмоции. Например, знаменитый теоретик Вольфганг Паули однажды раздраженно воскликнул: «Поверхность создана дьяволом!» Другой великий физик, Энрико Ферми, выразил скорее сожаление, чем гнев: «Поверхности очень интересны, но ведь их так мало...» По-видимому, Ферми имел в виду, во-первых, то, что поверхность занимает лишь очень малую часть массивного тела, и, во-вторых, что ее почти невозможно получить в чистом виде, необходимом для изучения средствами экспериментальной физики. Поэтому традиционно поверхности твердых тел исследовались химическими методами, и физики подключились к этой проблеме сравнительно недавно – примерно в середине 60-х годов. Как и можно было предположить, у физиков возник свой взгляд на поверхность. Они стремятся понять, как на ней расположены атомы и как ведут себя поверхностные электроны. Ответы на эти вопросы дает изучение атомарно-чистых поверхностей, которые «живут» только в сверхвысоком вакууме и которые раскрывают неповторимую индивидуальность «поверхностного вещества».

Когда в 1949 году был создан первый транзистор, физика твердого тела стала необходимым технологическим инструментом. Твердотельные приборы не только радикально изменили электронику, но и привели к качественным сдвигам в человеческом обществе – к технологической революции. Она, по-видимому, началась с того, что специалисты стали задумываться, как уменьшить размеры транзисторов и сделать сложные электронные устройства, такие, как ЭВМ, более компактными. Сегодня с помощью изощренных технологических приемов на одном квадратном миллиметре кремниевого кристалла формируется несколько миллионов элементов – транзисторов, конденсаторов, сопротивлений. Иными словами, размеры отдельных элементов стали меньше микрона – тысячной доли миллиметра. Новейшая технология перешла на субмикронный уровень.

И вот тогда на передний план выдвинулись проблемы физики поверхности. По мере того, как кремниевая пластинка – «чип», который служит основным элементом современных ЭВМ, становился все миниатюрнее, отношение его поверхности к объему быстро возрастало. Поэтому поверхность чипа, а не его объем стала играть определяющую роль и при выполнении им логических функций, и при взаимодействии с другими элементами.

Уже одной этой технологической причины было бы достаточно для специальных исследований поверхности твердых тел. Но для многих ученых поверхность представляет интерес и с точки зрения фундаментальной физики. Дело в том, что атомы поверхностных слоев твердого тела находятся в особых условиях по сравнению с атомами внутри него, как говорят, в объеме. Эти особые условия связаны с нарушением в одном из направлений строгой периодичности кристаллической решетки, с обрывом трансляционной симметрии кристалла. Электроны, движущиеся вблизи поверхности, «чувствуют» этот обрыв, и поэтому поведение электронов на поверхности твердого тела совсем не такое, как в его объеме. С точки зрения электронных свойств приповерхностная область твердого тела, его «оболочка» – это особое состояние вещества. Атомная же структура кристалла, то есть расположение и свойства его решеточных слоев, вблизи поверхности тоже совершенно иное, чем в объеме. По существу, поверхность твердого тела и его «внутренность» – две разные формы одного и того же вещества. Поэтому физика поверхности стала новой областью науки о строении вещества в конденсированном состоянии.

С чисто физической точки зрения изучение поверхности представляется принципиально важным. Поверхность – двумерная система, и не только ее структура, но и многие явления выглядят на ней совсем не так, как в объеме. Имеются и такие, для которых вообще не существует трехмерных аналогов, например, квантовый эффект Холла (см. «Наука и жизнь» №1, 1986 г.), вызвавший исключительный интерес со стороны как «чистой», так и прикладной физики. За открытие этого эффекта западногерманскому физику-экспериментатору Клаусу фон Клитцингу была присуждена Нобелевская премия 1985 года по физике. Это еще одно подтверждение того, что физика поверхности заняла одно из центральных мест в физике конденсированных сред.

Немного истории

Когда возникла физика поверхности, кто ее основоположник? На эти вопросы можно отвечать по-разному. Одним из первых ученых, подробно исследовавших свойства поверхностей разрыва между различными телами, был выдающийся американский физик и математик Джозайя Уиллард Гиббс (1839 – 1903). В своей знаменитой работе «О равновесии гетерогенных веществ», ставшей впоследствии основой современной термодинамики, Гиббс впервые рассмотрел поверхность как самостоятельную подсистему, отличную от разделяемых ею термодинамических фаз. Этот поверхностный слой хотя и имеет очень малую толщину, но представляет собой, согласно Гиббсу, вполне определенную «фазу», то есть состояние вещества с присущими ему энергией, энтропией и другими термодинамическими величинами. Такой подход позволил Гиббсу создать макроскопическую теорию поверхностных явлений и количественно объяснить адсорбцию, то есть способность поверхностей поглощать молекулы из окружающей среды.

Дело в том, что поверхность постоянно испытывает многочисленные столкновения с атмосферными атомами и молекулами, которые быстро на нее налипают, образуя что-то вроде неровной корки из чужеродных веществ. Попросту говоря, поверхность неизбежно загрязняется, и грязь маскирует истинные ее свойства. Получение чистой поверхности – это только полдела, другая половина – ее сохранение. В вакууме, соответствующем давлению 10^–6 мм ртутного столба, то есть примерно в миллиард раз ниже атмосферного, требуется всего около секунды, чтобы чистая поверхность покрылась бы слоем чужеродных веществ толщиною в один атом (такую пленку называют монослоем). Чтобы в отношении поверхности можно было задавать содержательные физические вопросы, например, как ведут себя на ней электроны или как располагаются поверхностные атомы, требуется вакуум не хуже, чем 10^–10...10^–11 мм ртутного столба. Достижение и измерение таких низких давлений – нелегкая техническая задача, и поэтому проводить эксперименты с чистыми поверхностями в контролируемых условиях сверхвысокого вакуума стало возможным сравнительно недавно – в конце 60-х годов. А до этого, начиная с классических исследований американского ученого Ирвинга Ленгмюра, выполненных в начале 20-х годов и развивавших идеи Гиббса, изучение поверхностей было одним из разделов физической химии.

Вопросы, которые при этом ставились, относились к поверхности в целом и игнорировали микроскопические детали. Это был чисто термодинамический подход – в терминах поверхностной свободной энергии, углов смачивания и изотерм адсорбции, – а для термодинамики микроскопические физические механизмы несущественны по определению.

Благодаря физико-химическим исследованиям стало известно, как себя ведут конкретные поверхности. Но известно – не значит понятно, и исследователи, зная, как склеивать поверхности, как катализировать химическую реакцию или как вызвать эмиссию электронов, обычно не понимали, что при этом происходит. Возникавшие вопросы «снимались» при помощи эмпирических правил, а наблюдаемые явления не предсказывались, а объяснялись постфактум. Такой «прикладной» подход к физике принято называть феноменологическим.

При феноменологическом изучении поверхности многие проблемы – например, проблема спектра энергий у поверхностных электронов – принципиально не могли быть решены. Более того, они даже не могли быть поставлены. Поэтому иногда в физико-химии поверхности создавалась лишь видимость решения задач: на самом деле они загонялись вглубь. Это привело к тому, что наука о поверхности стала заметно отставать от технологии и технологии пришлось обходиться без науки. Например, при изготовлении полупроводниковых приборов поверхностные явления долгое время были злейшими врагами технологов, существенно ухудшая работу диодов, транзисторов и первых солнечных элементов. Достаточно сказать, что из-за проблем, связанных с поверхностью, транзисторы не стали широко распространенными серийными приборами до 1954 года. Технологи решали эти проблемы на ощупь по набору инструкций, напоминавших алхимические рецепты: протравите поверхность в одном реактиве, выдержите в другом, вымойте в третьем (при этом желательно не дышать!) – тогда, может быть, она окислится именно так, как нужно. До понимания процессов, происходящих на поверхности, и тем более до управления этими процессами было еще далеко.

Уровень понимания существенно повысился в 70-х годах после освоения техники ультравысокого вакуума – давлений порядка 10^–10...10^–11 мм ртутного столба. К сожалению, поддержание такого вакуума – это необходимое условие однозначности и достоверности физической информации о поверхности. Виновата в этом уже упоминавшаяся адсорбция, которая по-прежнему сильно усложняет экспериментальное изучение поверхности. Именно из-за адсорбции, мешавшей получать чистые образцы, микроскопическая физика поверхности оставалась до конца 60-х годов уделом одних теоретиков. Одним из них был академик Игорь Евгеньевич Тамм.

Рис. 1. Схема энергетических состояний в кристалле, ограниченном поверхностью

В безграничной кристаллической решетке спектр энергии электрона состоит из чередующихся непрерывных полос или зон, которые разделены «запрещенными» участками. Размытие энергетических уровней отдельных атомов в непрерывные зоны связано с коллективизацией электронов в решетке: при объединении атомов в кристалл электроны начинают переходить от одного атома к другому, и энергетический спектр такого делокализованного электрона в пределах разрешенной зоны близок к непрерывному. «Полосатая» структура спектра с необходимостью вытекает из периодичности в расположении атомов кристалла – дальнего порядна. Если кристалл ограничен поверхностью, то периодичность решетки нарушается (по крайней мере а направлении, перпендикулярном к поверхности). При этом оказываются разрешенными и такие значения энергии, которые попадают в запрещенные зоны. Это и есть таммовские поверхностные уровни. Электрон в таммовском состоянии напоминает поплавок на поверхности воды: он может свободно двигаться вдоль поверхности, но не способен ни уйти в глубь твердого тела, ни выйти из тела наружу. Электроны как бы прилипают к поверхности. Такое поведение электронов в поверхностных состояниях описывается волновой функцией (жирная кривая), экспоненциально спадающей в глубь кристалла. Пунктирная кривая изображает потенциальную энергию электрона в кристалле. Из хода этой кривой видно, что для того, чтобы оказаться в вакууме, электрону необходимо преодолеть потенциальный барьер. Для простоты на рисунке не показан изгиб зон вблизи поверхности.

Таммовские состояния

С именем этого замечательного физика, лауреата Нобелевской премии связаны многие результаты в разных разделах физики. Им, в частности, построена полная квантовая теория рассеяния света в кристаллах, а затем создана (совместно с академиком И.М. Франком) теория излучения Вавилова – Черенкова, обобщена (вместе с еще одним выдающимся советским ученым, академиком Л.И. Мандельштамом) трактовка квантовомеханического принципа неопределенности. И.Е. Тамм первым начал систематические исследования по актуальнейшей сегодня проблеме управляемого термоядерного синтеза, выдвинув идею термоизоляции горячей плазмы магнитным полем, что теперь стало основой всех термоядерных реакторов с магнитным удержанием плазмы. Многим поколениям советских студентов, инженеров и физиков известен учебник И.Е. Тамма «Основы теории электричества».

В 1932 году вышла работа И.Е. Тамма, в которой предсказывалось существование на поверхности кристаллов особых электронных состояний, названных вначале поверхностными, а потом «таммовскими». Напомним, что при квантовомеханическом описании какой-либо физической системы состояние – ключевое слово. Например, электронное состояние внутри регулярного, идеально периодического кристалла – это так называемая волна Блоха, по имени американского физика Феликса Блоха, заложившего в 1928 году основы зонной теории твердых тел. Такая волна описывает движение через кристалл электрона, обладающего определенной энергией. В соответствии зонной теорией энергия электрона не может быть произвольной – «разрешенные» интервалы энергии разделены «запрещенными», для которых электронных (блоховских) состояний внутри кристалла вообще не существует. Чередование разрешенных и запрещенных энергетических полос называется зонной структурой или электронным спектром кристалла. Как случалось в физике много раз, математическое содержание теории было не новостью. В частности, французский математик Матье и англичанин Хилл изучали решения, подобные зонной теории, еще в XIX веке, однако физическая «твердотельная» их интерпретация появилась только после создания квантовой механики.

Для такой интерпретации и вообще для понимания квантовой – зонной – теории твердого тела оказалась очень полезной одномерная модель кристалла, предложенная в 1931 году известным голландским физиком Ральфом Кронигом и его английским коллегой Уильямом Пенни. В этой модели силовое поле, действующее на электрон внутри кристалла, представляется в виде периодического набора прямоугольных потенциальных «ям». Несмотря на свою простоту, модель Кронига – Пенни отражала самое существенное – постоянную повторяемость ускорений и торможений электрона при столкновении с атомами кристаллической решетки. Это периодическое воздействие на электрон и приводит к чередованию разрешенных и запрещенных зон. В последнее время выяснилось, что модель Кронига – Пенни имеет не только методический, но и прямой физический смысл: она хорошо описывает поведение носителей заряда в сверхрешетках (см. «Наука и жизнь» №1, 1986 год) – искусственно созданных материалах с «программируемыми» электронными свойствами. Сверхрешетки, по существу, целиком состоят из поверхностей.

Именно успех модели энергетических зон Кронига – Пенни, объяснившей объемные свойства бесконечного кристалла, и вдохновил И.Е. Тамма на исследование поведения электрона в кристалле конечной толщины, то есть ограниченного поверхностью. Оказалось, что возникновение поверхностных состояний в кристаллах – довольно тонкое квантовомеханическое явление, связанное с волновым характером движения электронов. Поэтому его имеет смысл объяснить с точки зрения распространения волн, а не пользуясь аналогией с привычными для нас свойствами классических частиц. Обычная рябь на поверхности воды – хорошо известный пример волны, которая распространяется только вдоль поверхности раздела двух сред и не уходит в глубь ни одной из них. Кроме такой поверхностной волны, могут существовать и независимые от нее волновые движения в объеме – как в воде, так и в атмосфере. Другой пример разделения волн на поверхностные и объемные предоставляют землетрясения: при них наблюдаются два типа сейсмических волн – одни идут напрямик, сквозь землю, а другие распространяются по ее поверхности. Одновременное существование нескольких типов волн означает, что все они служат допустимыми решениями некоторой математической задачи, основанной на волновом уравнении. В квантовой теории такие решения как раз и называются состояниями. Блоховские электронные состояния в кристаллах аналогичны объемным волнам, таммовские состояния – поверхностным.

Чтобы понять происхождение таммовских состояний, полезно задуматься над тем, почему вообще в кристаллических твердых телах возникает зонная структура. На первый взгляд «полосатый» спектр электронных энергий кажется странным. Действительно, электронные волны, которым отвечают уровни в пределах каждой разрешенной зоны, отличаются друг от друга энергией или попросту скоростью, с которой электрон движется через кристалл. Казалось бы, из-за столкновений с атомами в плотно упакованной кристаллической решетке электрон должен быстро «затормозиться», или по крайней мере его скорость будет часто и хаотично изменяться при многократном рассеянии на атомах кристалла. Однако этого не происходит. Дело в том, что благодаря строгой периодичности в расположении решеточных центров электронные волны, рассеянные различными атомами, складываются с начальной волной в упорядоченную результирующую волну, которая и представляет собой блоховское состояние. В рассеянии электрона кристалл участвует как целое, и блоховская волна распространяется через решетку, уже больше не рассеиваясь, несмотря на весьма сильное взаимодействие между отдельно взятыми электродном и атомом. Такие процессы, в которых физическая система выступает всем коллективом, а не на уровне отдельных частиц, по аналогии с оптикой иногда называют когерентными.

С точки зрения когерентности нетрудно понять, почему в энергетическом спектре электрона в кристалле возникают запрещенные зоны или «щели». Если энергия электрона попадает в какую-либо из запрещенных зон, то фазы волн, рассеянных разными атомами решетки, таковы, что, складываясь, эти вторичные волны полностью гасят начальную. Пусть, например, волна-электрон с такой «запрещенной» энергией падает на кристалл извне. Тогда она отражается от кристалла, поскольку внутри него не может быть электронов с энергией из запрещенной зоны. По существу, это явление полностью аналогично хорошо известному для рентгеновских лучей брэгговскому отражению (см. «Наука и жизнь», 1984, №5).

Однако из этого же рассуждения видно, что волны с запрещенными энергиями могут существовать у поверхности кристалла. Действительно, падающая извне волна-электрон должна проникнуть хотя бы на глубину в несколько атомных слоев, чтобы успеть столкнуться с атомами и породить те самые рассеянные волны, которые ее же и погасят. Поэтому частица отражается постепенно, хотя амплитуда описывающей ее волновой функции убывает очень быстро – по закону экспоненты – при удалении от поверхности в глубь кристалла.

Такое постепенное отражение электронной волны происходит при падении ее на кристалл извне. А что будет, если она падает изнутри? Электроны внутри кристалла имеют более низкую потенциальную энергию, чем в вакууме. Поэтому, чтобы вырвать электрон из кристалла, ему нужно сообщить дополнительную энергию, называемую работой выхода. Другими словами, на поверхности твердого тела имеется потенциальный барьер для тех электронов, которые намереваются покинуть кристалл. Падая на поверхность изнутри и натыкаясь на барьер, электроны вынуждены отражаться обратно в твердое тело. Однако, хотя электронная волна и не может выйти в вакуум, ее отражение происходит не так резко, как, например, у классического шарика, отскакивающего от стенки. Благодаря квантовомеханическому туннелированию электрон проникает в глубь вакуумного барьера, так что существует отличная от нуля вероятность обнаружить электрон, «принадлежащий» твердому телу, даже в вакууме вблизи поверхности кристалла. Правда, эта вероятность быстро – тоже экспоненциально – уменьшается при удалении электрона от поверхности кристалла. На расстояниях порядка нескольких ангстрем (1 ангстрем – 10^–8 см) электронная волна, проникшая в вакуум через границу кристалла, почти полностью исчезает.

Таким образом, если энергия электрона в кристалле попадает в одну из запрещенных зон, то может возникнуть волна, запертая вблизи поверхности. Из-за потенциального барьера на границе она неспособна уйти в вакуум, а из-за брэгговской дифракции – проникнуть в глубь вещества. Единственное, что остается электронной волне, – бежать вдоль поверхности. При этом она как бы отражается от двух непроницаемых, зеркальных стенок. Такая локализованная в приповерхностном слое волна и называется таммовским состоянием.

Поверхностные состояния образуются не только на границе между твердым телом и вакуумом. Поверхность раздела может быть внутренней, например, разграничивающей два разных полупроводниковых кристалла. Такую поверхность стали называть гетеропереходом, а пару разделяемых ею полупроводников – гетероструктурой. Гетероструктуры находят все более широкое применение в современных электронных и оптических приборах. На внутренней поверхности раздела в гетероструктуре электрон может быть заперт с двух сторон брэгговскими отражениями, если его энергия попадает одновременно в запрещенные зоны обоих кристаллов.

Для понимания поведения электронов на поверхности твердого тела весьма полезным оказался и другой подход к поверхностным состояниям, предложенный в 1939 году еще одним Нобелевским лауреатом – американским физиком Уильямом Шокли. Шокли изучал электронную структуру кристаллов типа алмаза, которые имеют довольно простое атомное строение и оказались чрезвычайно важными для понимания полупроводниковых свойств. В частности, такое же строение имеют столь популярные сейчас полупроводники – кремний и германий. В решетке «типа алмаза» атомы соединены друг с другом ковалентными (гомеополярными) химическими связями, которые обусловлены квантовомеханическим спариванием электронов с противоположными спинами и создают устойчивую конфигурацию наподобие инертного газа. Но такая идеальная электронная структура образуется лишь в объеме кристалла. На поверхности же всегда: имеются свободные, неспаренные химические связи, которые и стал исследовать Шокли. Вначале он рассчитал энергетические уровни электрона в цепочке из восьми атомов в зависимости от расстояния между соседними атомами. При этом оказалось, что, когда атомы сближаются до расстояний, меньших некоторого критического значения, в спектре электронных энергий появляются запрещенные зоны, и внутри каждой из них – по два состояния, связанных с тем, что на концах линейной цепочки имеются два «краевых» атома. Электроны в этих двух атомах находятся в таком же исключительном положении, как и электроны приповерхностных атомов в трехмерном кристалле, где, согласно Шокли, тоже можно ожидать появления одного поверхностного состояния на каждый поверхностный атом.

Поверхностные состояния Шокли можно объяснить неспаренными связями атомов, находящихся на поверхности. Например, при расколе кристалла создававшие эти связи электронные пары распадаются на независимые электроны, каждый из которых остается в своем атоме. Энергии «одиноких» электронов больше, чем у электронов, образующих ковалентные связи, и поэтому могут попасть в одну из запрещенных зон. Но такие энергии, как мы видели, соответствуют таммовским состояниям. Этот пример показывает, что таммовские состояния и поверхностные состояния Шокли – два частных случая одного и того же явления: перестройки электронной структуры кристалла поверхностью. Таммовские состояния отвечают такой модели кристалла, когда электронные волны проходят через него, лишь слегка «цепляясь» за атомы, почти как в пустом пространстве. В противоположность этой модели «квазисвободных» электронов, состояния Шокли соответствуют сильной связи с атомами, когда зонное движение электронов по кристаллу – блоховское состояние – возникает лишь благодаря их перескокам с одной связи на другую.

Повышенный интерес исследователей к поверхностным электронным состояниям был связан не только со стремлением к пониманию физики поверхностных явлений, но и насущными технологическими нуждами. Запрещенные в объеме, поверхностные состояния были энергетически притягательны для электронов в полупроводниках. Поверхностные уровни работали как центры рекомбинации электронов и дырок, уменьшая тем самым число ценнейших носителей тока и ухудшая технические характеристики диодов, транзисторов, солнечных элементов и других полупроводниковых приборов. Лишь в самое последнее время были развиты количественные методы спектроскопии поверхностных электронных состояний, позволившие получить надежную информацию о многих физических и химических явлениях на поверхности твердых тел.

Рис 2. Схема электронного оже-спектрометра
1 – источник электронов (электронная пушка); 2 – анализатор энергий электронов; 3 – исследуемое вещество; 4 – источник ионов для распыления образца

Рис 3. Схематическое изображение установки для исследования поверхности методом рассеяния медленных атомов и молекул
1 – источник атомов или молекул (сосуд с газом), 2 – коллиматор, 3 – исследуемое вещество, 4 – детектор (квадрупольный конденсатор)

Сквозь узкое отверстие в сосуде с газом вытекает поток атомов или молекул и проходит через колиматор, который выделяет из потока только такие молекулы, скорости которых близки друг другу. Полученный моноэнергетический поток падает на образец, помещаемый в высоком вакууме. Молекулы, отраженные от верхнего слоя поверхностных атомов, создают дифракционную картину их расположения, которая и регистрируется детектором.

Рис 4. Схематическое изображение установки для исследования поверхности методом дифракции медленных электронов (ДМЭ)
1 – источник электронов, 2 – исследуемое вещество, 3 – задерживающие сетки, 4 – люминесцентный экран

Медленные электроны от источника падают на поверхность образца. Основное число упавших электронов остается внутри вещества, однако малая их часть, отраженная от двух-трех приповерхностных слоев, попадает на экран и образует на нем дифракционную картину геометрического расположения атомов в этих слоях. Сетки служат для задерживания таких электронов, которые создают на экране фон и не несут информацию о расположении атомов.

Необычные свойства поверхностей

Чем отличается полупроводник от металла? Прежде всего заполнением электронами энергетических зон. У металлов электронов столько, что одна из разрешенных для электронных состояний зон заполнена электронами лишь частично, скажем, от 20 до 80%. Поэтому электроны в металле с легкостью откликаются на приложенное электрическое поле – ничто не препятствует небольшому повышению их энергии за счет поля. Если же зоны заполнены целиком, то кристалл ведет себя как диэлектрик (изолятор) или полупроводник. При этом мы отвлекаемся от некоторых тонкостей, связанных с иногда встречающимся необычным строением зон, примесями и т.д. Важно то, что граница, отделяющая занятые электронами состояния от свободных, так называемый уровень Ферми, попадает в полупроводнике в запрещенную зону.

Однако на поверхности полупроводника может возникнуть весьма неожиданная ситуация. Из-за имеющихся на ней разрешенных таммовских состояний уровень Ферми вполне может попасть внутрь одной из энергетических полос, сплошь заполненных поверхностными состояниями. При этом получается поверхностная зона, содержащая как занятые электронами, так и свободные уровни, что, как мы видели, есть отличительное свойство металла. Вещество было бы в объеме полупроводником, а на поверхности – металлом! Именно такого поведения ожидали многие теоретики от поверхностей кремния и германия – основных полупроводниковых материалов для современной технологии.

Этот вопрос был весьма важен и с чисто научной, и с прикладной, и даже с коммерческой точек зрения. Сравнительно недавно, в конце 70-х годов, независимыми друг от друга группами экспериментаторов в разных странах были поставлены специальные опыты по спектроскопии поверхностных электронных состояний. Цель этих опытов заключалась в том, чтобы окончательно выяснить, действительно ли вещество на поверхности может настолько отличаться от точно такого же по химическому составу вещества в объеме, что способно превратиться, например, из диэлектрика в металл. Для кремния и германия ответ оказался отрицательным. Ожидания теоретиков не подтвердились: все поверхности этих веществ остаются полупроводниковыми, а не металлическими. Тем не менее было надежно установлено, что в запрещенной зоне обоих полупроводников имеются поверхностные состояния, которые могут привести к «металлизации» поверхности. Куда же исчезает «поверхностный металл»?

Оказалось, что он не наблюдается из-за атомной реконструкции поверхностей – еще одного недавно обнаруженного фундаментального физического явления.

Перестроенные поверхности

Мы уже видели, что поверхность – это особое состояние вещества. Электронные свойства и атомное строение поверхности совсем не такие, как в объеме. В частности, из-за того, что у атомов в поверхностном слое химические связи оказываются разорванными при расколе кристалла и потому не насыщенными, поверхностные электроны приобретают тенденцию к образованию новых связей. Поверхностные состояния, возникающие из-за присутствия на поверхности электронов-одиночек, часто называют «болтающимися связями». Это выражение намеренно подчеркивает готовность неспаренных электронов образовать связь либо с какими-нибудь чужеродными атомами, адсорбирующимися на поверхности, либо с атомами того же самого элемента. Но если поверхность чистая и гладкая и на ней нет никаких посторонних атомов, то у поверхностных электронов остается лишь одна возможность для спаривания: образовать добавочные связи между самими поверхностными атомами. В простейшем случае соседние атомы поверхностного слоя объединяются в пары, которые специалисты по физике поверхности, позаимствовав химическую терминологию, стали называть димерами. Атомы каждого димера сближаются друг с другом, одновременно удаляясь от соседних атомов на поверхности, вошедших в другие димеры. При этом на поверхности изменяется период кристаллической решетки. Это и есть реконструкция поверхности.

Вспомним, что такое период кристаллической решетки (см. «Наука и жизнь» №1, 1986 год). Для самой простой идеальной одноатомной кубической решетки это просто расстояние между соседними атомами. В общем случае – это наименьшее расстояние, при сдвиге на которое решетка точно воспроизводит свой исходный вид, то есть в каждом ее узле оказываются такие же атомы, что и до сдвига. После образования димеров поверхность совместится сама с собой только после сдвига на расстояние между центрами соседних димеров, которое вдвое больше периода решетки во внутренних слоях. Такую реконструкцию обозначают символом 2×1, показывающим, что период вдоль одного из направлений на поверхности удвоился, а вдоль другого – остался прежним.

Рис. 5. Пример реконструкции поверхностного слоя атомов с образованием димеров (перестройка – 2×1).

Верхние атомы попарно сближаются друг с другом, отдаляясь от такой же пары соседей. При этом период элементарной ячейки поверхностной двумерной решетки в одном направлении увеличивается вдвое, а в другом остается прежним.

После реконструкции на поверхности возникает новая поверхностная «фаза» с присущим ей особым характером поверхностных энергетических зон. В частности, из-за образования димеров исходная зона, специфичная для нереконструированной поверхности, расщепляется на две подзоны, между которыми появляется интервал – энергетическая щель. Все вместе – и размер щели, и расположение поверхностных атомов – определяется требованием минимальности энергии электронов на поверхности твердого тела. Благодаря реконструкции поверхность как бы сама себя оптимизирует. В поверхностной щели нет никаких электронных состояний, и поэтому она играет роль поверхностной запрещенной зоны. Уровень Ферми попадает как раз в запрещенную зону, потому-то и исчезает «поверхностный металл», который так интриговал исследователей. Поверхность сохраняет полупроводниковые свойства, хотя и не такие, как в объеме. Реконструкция 2×1 – самая простая и типичная перестройка поверхности. В кремнии и германии она неизбежно происходит на чистых, свежеприготовленных поверхностях кристаллов. Однако при определенной температуре структура поверхности может резко измениться. Обычно все происходит довольно внезапно. Вместо решетки 1×1 или 2×1 появляется гораздо более сложная структура: 7×7 в кремнии или 2×8 в германии. Другими словами, при реконструкции атомы поверхностного слоя объединяются в укрупненные ячейки, содержащие все атомы ячеек исходной решетки.

Диагностика поверхности

Открытие новых кристаллических решеток на поверхности, не существующих в объеме, и вообще новых принципов расположения поверхностных атомов продемонстрировало наивность устоявшихся моделей поверхности как простого обрыва периодических трехмерных решеток. Возникла новая, «поверхностная» кристаллография, которая оказалась намного сложнее и разнообразнее объемной. Сегодня основная задача всей физики поверхности – это количественное исследование микроскопических поверхностных характеристик. Как уже упоминалось, надежное экспериментальное изучение поверхностных электронных состояний и атомной структуры требует больших усилий и стало возможным лишь в 70-е годы. Все подобные эксперименты основаны на зондировании поверхности каким-либо воздействующим на нее агентом. Как правило, это потоки частиц или электромагнитного излучения, которые называют первичными и которые после взаимодействия с поверхностью несут информацию о ее состоянии. Используют также электрическое и магнитное поля, тепловую энергию тела – колебания атомов решетки – и, кроме того, некоторые химические методы. Одно только перечисление тех приемов, которые сейчас применяются для исследования поверхности твердых тел, заняло бы несколько страниц, поэтому мы ограничимся кратким описанием двух наиболее популярных экспериментальных методик; электронной оже-спектроскопии (ЭОС) и дифракции медленных электронов (ДМЭ).

Метод спектроскопии Оже основан на эффекте, открытом в 1925 году французским физиком Пьером Оже в инертных газах. Суть этого явления в том, что если на одном из внутренних уровней энергии атома по каким-то причинам создается вакансия – дырка, то она быстро заполняется другим электроном атома, а лишняя, выделяющаяся при этом энергия передается еще одному электрону, который и «выстреливается» из атома (оже-электрон). Энергия этих электронов определяется природой испускающих их атомов, а число электронов пропорционально количеству таких атомов. Поэтому оже-спектроскопия позволяет проводить одновременно качественный и количественный анализ исследуемого вещества. Оже-электроны имеют энергию, которой едва хватает для прохождения нескольких ангстрем твердого вещества. Следовательно, они несут информацию именно о приповерхностных слоях кристалла.

Первичную вакансию в поверхностных атомах можно создать электронным, фотонным и ионным пучками. Соответственно различают электронную, фотонную и ионную оже-спектроскопии поверхности: ЭОС, ФОС и ИОС, первая из которых получила наибольшее распространение. Достигнутая сейчас чувствительность этого метода позволяет регистрировать, например, адсорбированные на поверхности атомы в количествах, не превышающих доли процента от общего числа поверхностных атомов.

Дифракция медленных электронов основана на фундаментальном свойстве материи – волновом характере движения частиц. Этот метод служит аналогом рентгеноструктурного анализа, применяемого для исследования кристаллической структуры в объеме вещества. Электронные волны способны интерферировать на периодически расположенных атомах кристалла точно так же, как, например, свет на дифракционной решетке. Наиболее удобно экспериментировать с такими электронами, длина волны которых примерно совпадает с периодом кристаллической решетки. В результате интерференции волны, расходящиеся от разных атомов, в некоторых направлениях усиливают друг друга, в других – ослабляют. Усиление электронных волн, рассеянных различными атомами, наблюдается тогда, когда на их разности хода укладывается целое число длин волн, Для таких направлений «колебания» а волнах де Бройля совершаются в фазе, и на регистрирующем экране появляются яркие пятна, которые характеризуют взаимное расположение атомов в кристаллической решетке. Этот эксперимент впервые был поставлен в 1927 году американскими физиками Дэвиссоном и Джермером и послужил убедительной демонстрацией правильности квантовых представлений.

При дифракции на кристалле электроны малых энергий способны проникать лишь в поверхностные слои, и поэтому дифракция таких электронов на регулярно расположенных атомах предоставляет сведения о структуре поверхности. Изменение поверхностной структуры, например, превращение конфигурации 1×1 в 2×1 находит отражение в характере дифракционной картины, в яркости, расположении и числе дифракционных пятен. Это помогает использовать дифракцию медленных электронов как чувствительный метод наблюдения поверхностных структурных превращений.

В последнее время все большую популярность приобретают комбинированные методы исследования поверхности. Например, электронная оже-спектроскопия образца производится практически одновременно с рассеянием на нем медленных электронов, а также ионов, атомов и рентгеновских лучей. Поэтому вакуумная камера, в которую помещается образец, обычно имеет множество вводов и позволяет использовать сразу несколько зондирующих агентов. Разумеется, такой всеобъемлющий анализ поверхности был бы невозможен без современных методов автоматизации эксперимента. Так компьютерная техника помогает исследованию структур, необходимых для ее же создания.

Топография поверхности

Методы зондирования поверхности излучениями, даже комбинированные, все же не дают возможности своими глазами увидеть ее малые участки. Например, дифракция медленных электронов – это коллективный процесс, происходящий с участием большого числа рассеивающих центров и, следовательно, несущий информацию со значительного (в атомных масштабах) участка поверхности. То же самое можно сказать про рассеяние ионов, рентгеновских лучей или молекул на поверхностных атомах и про электронную оже-спектроскопию. Однако, чтобы как следует понять то, что происходит на поверхности, исследователям необходима карта точного расположения атомов и их электронных оболочек.

Такая карта должна иметь масштаб порядка одной стомиллионной доли сантиметра. Длина волны видимого света в тысячу раз больше, поэтому даже свет оказывается слишком грубым инструментом для рассматривания атомов с помощью какого-либо оптического устройства. В какой-то степени делу мог помочь сканирующий электронный микроскоп. В этом приборе роль света играют пучки электронов, которые, как и оптическое излучение, можно сфокусировать на маленькую мишень. При достаточно высоких энергиях электронов их длина волны мала, и кажется, что можно разглядывать отдельные атомы. Однако ускоренные электроны легко простреливают тонкий поверхностный слой и проникают слишком глубоко в твердое тело. Медленно движущиеся электроны, наоборот, весьма чувствительны к электрическим и магнитным полям, создаваемым образцом, и их движение легко возмущается непредсказуемым образом. В результате в обоих случаях становится трудно различить детали рельефа на поверхности – как говорят, падает пространственное разрешение прибора.

В 1955 году американским ученым Эдвином Мюллером было создано замечательное устройство – ионный микроскоп, позволивший наблюдать отдельные атомы на поверхности. Это был очень простой прибор, который, как уверял сам Мюллер, неглупый стеклодув смог бы сделать за неделю. Основой прибора служили две детали: очень острая металлическая игла и люминесцентный экран, расположенный как раз напротив кончика иглы. Пространство между этими деталями было заполнено инертным газом, например, гелием или неоном. Именно игла и была исследуемым образцом. Если между кончиком иглы и экраном прикладывалось напряжение, причем игла служила положительным электродом, то вокруг ее кончика возникало чрезвычайно сильное электрическое поле – около 500 миллионов вольт/см или даже больше. Когда электрически нейтральный атом инертного газа подбирался благодаря диффузии к атомам острия, мощное электрическое поле «обдирало» с него электроны, превращая атом в ион. Этот ион, имевший теперь положительный заряд, ускорялся полем к той точке на экране, которая однозначно соответствовала позиции атома иглы, вблизи которого произошла ионизация.

Образ иглы на флуоресцирующем экране характеризовался беспрецедентным увеличением: были отчетливо видны отдельные атомы. Дело в том, что ионы инертного газа – это тяжелые частицы, и поэтому их длина волны де Бройля очень мала. Поэтому дифракционные эффекты, смазывающие изображение в оптических и электронных микроскопах, совершенно не были заметны. Кроме того, иглу можно было охлаждать, например, жидким азотом, водородом или даже гелием, и это наряду с большой массой иона сводило к минимуму смазывание из-за теплового движения атомов в направлении, поперечном по отношению к траектории полета от иглы до экрана. Максимальное разрешение ионного микроскопа было примерно 2,5 ангстрема, то есть соответствовало требуемому атомному масштабу. Такой микроскоп был значительно лучше электронного для исследования поверхности твердых тел.

К сожалению, далеко не всякие образцы можно было изучать с помощью ионного микроскопа. Образец должен был с немалыми трудностями насаживаться на тонкий кончик иглы (тоже шириной в несколько ангстрем) и к тому же не бояться огромных электрических полей. Иногда электрические силы, действующие на атомы образца, становились столь велики, что не выдерживали химические связи, прикреплявшие атомы к поверхности. В результате исследуемый материал начинал отшелушиваться, подобно слоям субмикроскопического лука. Этот эффект всегда возникал неожиданно и, разумеется, мешал исследователям. Работа с ионным микроскопом и интерпретация полученных изображений требовали немалого опыта. Кроме того, лишь самые твердые металлы, такие, как вольфрам, молибден, тантал, иридий, хром, платина и, при большом искусстве экспериментаторов, железо и никель, могли выдерживать рассматривание на ионном микроскопе. Самые важные с технологической точки зрения полупроводниковые материалы – кремний и германий – оказывались слишком «слабыми», и их можно было изучать, лишь используя сравнительно «небольшие» поля (примерно 350 миллионов вольт/см), но при этом качество изображения – разрешение – было гораздо хуже.

В какой-то степени свободным от этих недостатков стал прибор, созданный в 1971 году учеником Мюллера Расселом Янгом. Новый прибор назывался «Топографайнер» и был предназначен главным образом для измерения профиля микронеровностей на поверхности, физика поверхности несколько меньше интересовала создателей «Топографайнера», работавших в американском Национальном бюро стандартов, чем метрология – наука о точных измерениях, и поэтому прибор не использовался для фундаментальных исследований. Он был нужен в основном для прецизионного – особо точного – контроля оптических дифракционных решеток, хотя достигнутое в нем разрешение (30 ангстрем перпендикулярно к поверхности и 4000 ангстрем в ее плоскости) позволяло изучать расположение атомных слоев.

Но самое главное не это. В «Топографайнере» для исследования поверхности можно было использовать туннельный эффект – сугубо волновое явление, тесно связанное с квантовыми соотношениями неопределенностей и даже несколько экзотическое с точки зрения классических представлений. Классическая частица при ударе о стенку неизбежно от нее отражается, квантовая же частица имеет довольно много шансов тихонечко опуститься позади стенки. Частица как бы проделывает себе туннель в стенке, поэтому такой эффект и был назван туннельным или туннелированием.

Рис. 6. Туннельный эффект

Из школьного курса физики мы знаем, что постоянный электрический ток не течет через конденсатор. Оказывается, однако, что если пластины конденсатора сблизить до очень малых расстояний (порядка нескольких атомных радиусов), то сопротивление конденсатора резко упадет и текущий через него ток станет вполне наблюдаемым – его можно зарегистрировать обычным амперметром. Этот опыт был поставлен в 1960 году Айваром Джайевером – норвежским физиком, работающим в США. Постоянный ток, текущий через тонкий изолирующий слой между пластинами конденсатора, возникает вследствие квантово-механического туннелирования электронов. Туннельный ток – это макроскопическое проявление квантовых закономерностей. При большом напряжении V между пластинами конденсатора сильное электрическое поле искажает потенциальный барьер – понижает его и делает тоньше (а). При этом электрон может «спротуннелировать» через тонкий треугольный барьер между двумя проводниками. Именно такое туннелирование – на довольно больших расстояниях – происходило в «Топографайнере». Туннельный ток через треугольный барьер называется током автоэлектронной эмиссии – вырыванием электронов из металла сильным полем. При низких напряжениях (б) форма барьера практически не меняется, и туннелирование через вакуумный промежуток связано с перекрытием электронных «облаков» по обе стороны барьера. Именно поэтому туннельный микроскоп, работающий в области низких напряжений, оказывается очень чувствительным к расстоянию s между поверхностью и кончиком иглы. При изменении этого зазора на величину, равную диаметру атома, туннельный ток изменяется почти в тысячу раз. Для электронов исследуемый образец представляет собой «потенциальную яму» (так же, впрочем, как и эмиттер). Яма заполнена электронами до некоторой энергии М, называемой энергией Ферми. Поскольку в обычных условиях электроны из вещества не вылетают, то должна существовать и некоторая энергия Ф, необходимая для удаления одного электрона. Эта энергия называется работой выхода. Так как к туннельному промежутку приложено напряжение V, то уровни Ферми М₁ и М₂ отличаются на энергию eV. Волнистая линия изображает волновую функцию электрона. Только те электроны слева, для которых имеются незанятые состояния справа, могут туннелировать и вносить вклад в ток.

Электрон в конце туннеля

Как уже говорилось, электрон в металле находится в потенциальной «яме». Следовательно, если два металла разделены тонким вакуумным промежутком, то для того, чтобы перейти из одного материала в другой, электрону необходимо преодолеть потенциальный барьер, который для него выстраивает пустое пространство. Именно это могло происходить в «Топографайнере». Как и в ионном микроскопе Мюллера, главной деталью прибора служила тонкая металлическая игла, которая подносилась на близкое расстояние к изучаемой металлической поверхности, заряженной положительно по отношению к игле. Между иглой и исследуемым металлом могло возникнуть туннелирование электронов. Электронный туннельный ток в принципе содержал бы информацию как об атомарной структуре поверхности, так и об энергетических состояниях находящихся на ней электронов. Структуру можно было бы исследовать, перемещая иглу над поверхностью – сканируя, а электронные поверхностные состояния могли бы определяться по вариациям числа электронов, просачивающихся с иглы на образец.

Однако эти сведения так и не удалось получить с помощью «Топографайнера». Возможности прибора не были полностью раскрыты по двум основным причинам. Во-первых, мир еще не знал микропроцессоров и компактных запоминающих устройств большой емкости. Системы преобразования и обработки данных были слишком дороги и маломощны для необычно высокой плотности информации, предоставляемой «Топографайнером». Например, если разрешение прибора по горизонтали составляло около 250 ангстрем и одно горизонтальное сканирование давало 10⁴ точек, то довольно грубая топографическая карта поверхности образца шириной примерно полмиллиметра содержала бы при ста сканированиях 10⁶ точек. Лучшие вычислительные системы начала 70-х годов воспринимали информацию со скоростью 10³ точек в секунду, поэтому единичное топографическое измерение занимало около двадцати минут, что было, конечно, неудобно. Во-вторых, по чисто техническим причинам (в частности, из-за несовершенства пьезоэлементов, обеспечивающих перемещение иглы) объем пространства, в котором производилось сканирование, был очень мал – не более десятой доли кубического микрона! Малый диапазон перемещений создавал трудности для сближения образца с иглой. Исследователи прибегали к различным ухищрениям: применяли дополнительные рычаги, приближали образец к острию с помощью винтовой подачи, но все это только ухудшало работу прибора из-за неконтролируемых вибраций и «дрейфов» – сбивок, вызванных механическими напряжениями.

В результате «туннельный режим» работы «Топографайнера», а с ним и максимальное разрешение не были достигнуты. Прибор работал в режиме так называемой автоэлектронной эмиссии – вырывания электронов из металла сильным электрическим полем. С помощью «Топографайнера» удавалось различать детали рельефа с продольным – вдоль поверхности – размером в несколько сотен ангстрем, то есть разрешение было заметно хуже, чем при работе с электронным микроскопом. Поэтому метод изучения поверхности с помощью сканирующей иглы более десяти лет не привлекал к себе внимания исследователей.

Но в декабре 1982 года появилось сенсационное сообщение: швейцарским физикам Герду Биннигу и Генриху Рореру, работающим в филиале компании ИБМ в Цюрихе, удалось построить микроскоп нового типа, с помощью которого топографическая карта поверхности была снята с атомной точностью. На изображении одной из кристаллографических плоскостей кремния, полученном Биннигом и Рорером, отдельные атомы выступали из поверхности, как холмики на равнине. «Дожили», – заметил по этому поводу на Общемосковском физическом семинаре известный советский теоретик академик В.Л. Гинзбург. Действительно, раньше никому не удавалось разглядывать поверхность атом за атомом. Прибор, который позволил это сделать, стал называться сканирующим туннельным микроскопом, сокращенно СТМ.

Как и «Топографайнер», новый микроскоп состоит из двух электродов, один из которых – это сам исследуемый образец, а другой – острая металлическая, обычно вольфрамовая игла. Кончик иглы (ее называют эмиттером) удален от поверхности на расстояние не более десятка ангстрем. Для таких расстояний острие иглы уже нельзя считать плавно закругленным: на нем почти наверняка будут отдельные выступы высотой в несколько атомов. Некоторые из выступов ближе других расположены к зондируемой поверхности, и именно через них протекает туннельный ток, резко улучшая пространственное разрешение прибора. Иногда микровыступы на конце эмиттера создают специально, подвергая иглу бомбардировке энергичными ионами. Другая методика состоит в наращивании микровыступов сильным электрическим полем (порядка 10⁸ вольт/см), которое стимулирует миграцию атомов по поверхности иглы и их стекание на самый кончик с образованием микроострий. Почему же туннелирующие электроны сами выбирают себе путь через микровыступы, ближайшие к образцу? Ответ заключается в чрезвычайно резкой – экспоненциальной – зависимости туннельного тока от расстояния между электродами: ведь чем шире барьер, тем труднее электронной волне через негр «просочиться».

Когда такая игла с микроскопическими выступами подходит к исследуемому образцу на расстояние в несколько ангстрем, электронные облака, расположенные вблизи атомов иглы и изучаемой поверхности, начинают перекрываться, и под действием приложенного напряжения протекает туннельный ток, величина которого зависит от числа имеющихся электронов в облаке. Именно поэтому прибор оказывается настолько чувствительным к малейшим изменениям расстояния между иглой и поверхностью образца. Увеличение этой дистанции всего на размер одного атома уменьшает поток туннелирующих электронов почти в тысячу раз вследствие резкого падения плотности электронного облака. Таким образом, сканирующий туннельный микроскоп снимает распределение электронной плотности на исследуемой поверхности с неслыханной детальностью. Разрешение такого микроскопа может достигать 1/100 размера атома.

Чтобы изобразить «контурную карту» поверхности, можно либо следить за колебаниями туннельного тока, протекающего через микроскоп, либо, поддерживая ток постоянным, следить за перемещениями иглы вверх-вниз при сканировании. Эти перемещения повторяют рельеф поверхности. Практически, однако, удобнее измерять вариации электрического напряжения, которое подается на пьезоэлемент, удерживающий иглу на фиксированном расстоянии от исследуемой поверхности. Любое изменение этого расстояния вызывает либо уменьшение, либо увеличение управляющего напряжения. Это и дает информацию о рельефе поверхности, которую легко можно ввести в ЭВМ, передать по каналам связи, вывести на экран дисплея и на другие периферийные устройства. Изображение атомного рельефа поверхности получается очень наглядным.

Применения туннельного микроскопа

Сканирующее движение иглы вдоль поверхности управляется двумя пьезоэлектрическими элементами, третий контролирует расстояние между эмиттером и образцом. При таком движении игла огибает встречающиеся на поверхности выступы и впадины – адсорбированные атомы, поверхностные дефекты, нарушения периодичности. Изменение профиля поверхности на один ангстрем соответствует примерно одному сантиметру на экране дисплея – туннельный микроскоп увеличивает микрообъекты в сто миллионов раз! Разумеется, феноменальные возможности туннельного микроскопа стимулировали его широкое использование в физике поверхности, химии и биологии. С начала 1983 года с его помощью получено немало фундаментальных результатов. В первую очередь была изучена микротопография многих чистых поверхностей металлов и полупроводников в вакууме, в частности были определены картины реконструированной поверхности и детали расположения на ней атомов. Туннельный микроскоп позволил понять, куда в действительности смещаются атомы при реконструкции, например, при перестройке 7×7 поверхности кремния – вправо, влево, вперед, назад – и исключить довольно много теоретических моделей, претендовавших на правильное описание этого явления.

Очень большой интерес для физики представляет изучение динамики реконструкции – самого процесса перехода поверхности от одной кристаллической решетки к другой. Это превращение можно считать фазовым переходом в «поверхностном веществе», который происходит, как и обычный фазовый переход (например, плавление льда), при определенных температуре и давлении. Медленно повышая температуру вблизи точки фазового перехода, с помощью туннельного микроскопа можно «своими глазами» наблюдать, как исчезает реконструкция поверхностной решетки и по какому закону рождается новая фаза. Другими словами, можно увидеть, как поверхностные атомы объединяются в кристаллическую решетку.

Поскольку туннельный микроскоп позволяет разглядывать отдельные атомы и молекулы на поверхности, то его можно использовать для изучения их геометрии. Дело в том, что размеры адсорбированных атомов и молекул, как правило, изменяются при взаимодействии с поверхностью. Регистрация этого изменения дает информацию о характере связи адсорбированных атомов (адатомов) и их небольших групп с поверхностью, Эта задача очень важна для химического катализа, и в процессе ее решения туннельный микроскоп привел к пониманию механизма некоторых химических реакций.

Атомы и их группы, налипающие на поверхность, могут быть заряженными – тогда их называют заряженными дефектами. Туннельный микроскоп позволяет измерять перераспределение равновесного электрического заряда на поверхности, вносимое заряженным дефектом. Такие исследования важны с точки зрения дизайна микроэлектронных компонентов, для качественной работы которых необходимо точное знание поверхностной плотности электронных состояний. Эта плотность пропорциональна числу имеющихся на поверхности электронов и, следовательно, приращению туннельного тока при увеличении напряжения между иглой и образцом. Таким образом, сканирующий туннельный микроскоп можно непосредственно использовать для поверхностной электронной спектроскопии.

Прямое изучение электронных состояний позволяет лучше понять сверхпроводимость – явление, казалось бы, не имеющее отношения к физике поверхности. В некоторых сверхпроводниках (так называемого второго рода) могут существовать своеобразные электронные структуры – вихревые нити. Вблизи этих нитей сосредоточено магнитное поле (которое с большим трудом проникает в сверхпроводник), а также охватывающие их кольцевые сверхпроводящие токи. С помощью туннельного микроскопа, работающего при низких температурах, была получена картина, которая показала распределение сверхпроводящих электронов внутри вихрей. Это дало дополнительные сведения о предельных значениях магнитных полей и токов, которые выдерживает сверхпроводник, без разрушения сверхпроводимости.

Вообще неразрушающие свойства туннельного микроскопа очень привлекают исследователей. Другие микроскопы в той или иной степени «портят» исследуемый объект. В электронной микроскопии, например, образцы покрывают тонким слоем металла, чтобы «притормозить» быстрые электроны. Кроме того, работа с электронным микроскопом требует высокого вакуума, которого, в частности, не выдерживают биологические молекулы: они тут же отщепляют воду и неконтролируемым образом изменяют свою структуру. В туннельном микроскопе вода, как и многие другие среды, может целиком заполнять туннельный промежуток. Сверхвысокий вакуум для такого микроскопа необязателен.

Это обстоятельство было по достоинству оценено биологами, и сейчас в ряде стран с помощью сканирующего туннельного микроскопа начали проводиться биологические исследования.

С точки зрения практических приложений самым привлекательным может оказаться технологическое использование сканирующего туннельного микроскопа. Туннельное сканирование в принципе способно заменить литографию при изготовлении микроэлектронных элементов. Прямое «рисование» иглой туннельного микроскопа по поверхности (массоперенос), по-видимому, позволит создавать структуры для микроэлектроники с размером, меньшим чем 100Ǻ×100Ǻ, тем самым снижая на несколько порядков объем существующих микросхем. С помощью «туннельного рисования» можно локально активизировать химические реакции, например, производить окисление или травление, получая нужную топологию микроэлектронных устройств, Кроме того, туннельный микроскоп может оказаться полезным инструментом контроля при изготовлении многослойных элементов микроэлектроники, а также средством исправления дефектов в уже готовых сложных микросхемах.

Работа сканирующего туннельного микроскопа целиком основана на квантово-механических закономерностях, и поэтому его возможности близки к фундаментальным физическим пределам, на которые сегодня выходит технология. В современной технологии квантовая механика становится инженерной дисциплиной.

Литература:

1. Келдыш Л.В. Таммовские состояния и физика поверхности твердого тела. «Природа», 1985, №9.
2. Школа будущих первооткрывателей. «Наука и жизнь» 1986, №1.
3. Ревокатова И.П., Силин А.П. Вакуумная туннельная микроскопия – новый метод изучения поверхности твердых тел. Успехи физических наук, том 142, №1, 1984.

Ранее опубликовано:

Наука и жизнь. 1986. №5, №6.

Дата публикации:

2 декабря 2002 года