Наноматериалы для радиоэлектронных средств. Часть 2. Исследование наноматериалов с помощью сканирующего туннельного микроскопа

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 
К.В. Малышев, В.М. Башков, С.А. Мешков 
 
 
 
НАНОМАТЕРИАЛЫ  
ДЛЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ 
 
 
Часть 2 
ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ  
СКАНИРУЮЩЕГО ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА 
 
Методические указания к лабораторным работам  
по курсу «Наноматериалы для радиоэлектронных средств» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
М о с к в а  
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 7  

УДК 621.28 
ББК 32.85 
М 217 
Рецензент В.В. Маркелов 
 
М 217 
Малышев К.В., Башков В.М., Мешков С.А. 
Наноматериалы для радиоэлектронных средств. — Ч. 2: 
Исследование наноматериалов с помощью сканирующего 
туннельного микроскопа: Методические указания к лабораторным работам по курсу «Наноматериалы для радиоэлектронных средств». — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 
2007. — 42 с.: ил. 
 
В данные методические указания включены лабораторные работы, 
посвященные экспериментальным исследованиям с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) характеристик наноматериалов, перспективных для радиоэлектронных средств. Во второй части 
изучается измерение электрических характеристик наноматериалов с 
помощью СТМ. 
Для студентов 6-го курса приборостроительных специальностей. 
Ил. 33. Табл. 2. 
УДК 621.28 
ББК 32.85 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 
 
2 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
Настоящее издание методических указаний соответствует 
учебной программе курса «Наноматериалы для радиоэлектронных 
средств». 
При выполнении цикла лабораторных работ студенты должны 
закрепить теоретические сведения о способах исследования и модификации электрических и механических свойств наноматериалов с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). 
Все работы выполняются на зондовом наносборщике на основе 
лабораторного СТМ. Экспериментальные исследования основных 
характеристик наноматериалов позволят студентам глубже уяснить специфику применения и создания наноматериалов для радиоэлектронных средств (РЭС). 
По каждой лабораторной работе студент должен подготовить 
отчет, в котором следует привести результаты измерений, осциллограммы, применяемые структурные и принципиальные схемы, 
оценки точности измеряемых величин. 
После предварительной подготовки и при наличии конспекта 
проработанного подготовительного материала студент получает 
допуск преподавателя к выполнению лабораторной работы. Конт- 
рольные вопросы в конце каждой работы помогут студенту подготовиться к защите выполненной работы. Защита осуществляется 
непосредственно на лабораторном оборудовании. 
 
3 

 
Работа № 5. ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРА ЭЛЕКТРОННЫХ  
СОСТОЯНИЙ В НАНОМАТЕРИАЛАХ С ПОМОЩЬЮ СТМ 
Цель работы — изучение методики измерения зонной структуры наноматериала и закрепление теоретических знаний о токопереносе в наноматериалах. 
5.1. Теоретическая часть 
СТМ применяют не только для измерения нанорельефа, но и 
для исследования локального распределения спектра энергетических электронных состояний в наноматериалах (сканирующая 
туннельная спектроскопия — СТС). При этом исследуемый или 
модифицируемый наноматериал наносят на проводящую подложку в виде нанослоя или «россыпи» наночастиц. Иглу СТМ располагают в заранее заданной точке с координатами (X, Y) на поверхности подложки на заданной высоте Z около 1 нм над 
поверхностью. Затем при постоянном зазоре Z между иглой и подложкой измеряют вольт-амперную характеристику (ВАХ) зазора. 
Напряжение U между иглой и подложкой меняется в диапазоне 
примерно от –1 до +1 В под управлением ПЭВМ (рис. 5.1). Зависимость I(U) тока I, протекающего через нанометровый зазор Z 
между иглой и подложкой, измеряется с помощью предусилителя 
(I → U), изученного в работе № 1. 
Для условий сверхвысокого вакуума, когда между металлическими иглой и подложкой нет промежуточной среды, зонная диаграмма при U = 0 показана на рис. 5.2. Электронные состояния в 
игле и подложке заполнены до уровней Ферми ЕF и разделены потенциальным барьером с высотой, равной работе Ф выхода электрона из металла в вакуум. Типичное значение Ф для чистого  
 
4 

 
Двигатель 
Интерфейс 
U 
U(t) 
Зонд (игла) 
ПЭВМ 
Интерфейс 
Осциллограф 
I(Z) Ток 
Подложка 
I(t) 
I → U 
Рис. 5.1 
металла составляет 5 эВ. Ширина туннельного барьера равна расстоянию Z «игла — подложка».  
Когда между иглой и подложкой появляется наноматериал, 
зонная диаграмма меняется, как показано на рис. 5.3. Если наноматериал близок по свойствам к сплошному слою твердого диэлектрика, то рядом с потенциальным вакуумным барьером на диаграмме появляется барьер, образованный дном зоны проводимости 
диэлектрика. Обычно его высота на несколько электрон-вольт 
меньше высоты вакуумного барьера. В этом случае при толщине 
вакуумного зазора порядка 10 нм электроны могут перейти между 
иглой и подложкой только поверх обоих барьеров. Если же нано 
Игла 
10 нм 
EF 
E 
0 
Металл 
Игла 
Вакуум 
 1 нм 
Подложка 
Металл 
Z 
Подложка 
Рис. 5.2 
 
5