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 

 
EF 
E 
0 
EF 
E 
0 
Eрез 
100 нм 
Ф ≈ 5 эВ 
Игла 
Вакуум 
10 нм 
Металл 
Z 
Подложка 
Наноматериал 
Диэлектрик 
Z 
Вода 
Рис. 5.3 
материал близок по свойствам к жидкому слою полярных молекул 
типа воды, то на зонной диаграмме могут появиться узкие потенциальные ямы, содержащие резонансные уровни Ерез. По таким 
уровням может происходить резонансно-туннельный переход 
электрона между иглой и подложкой. При переходах энергия Е 
электрона должна совпадать с энергией Ерез в очередной яме по 
пути следования между иглой и подложкой. Выравнивание энергий может происходить за счет приложения напряжения U между 
иглой и подложкой. 
При подаче напряжения U в диапазоне от 0,1 до 10 В между 
«чистыми» иглой и подложкой появляется ток I с характерным 
значением в диапазоне от пикоампер до десятков наноампер. Значение тока I и форма ВАХ I(U) сильно меняются в зависимости от 
диапазона применяемых напряжений U, радиуса R острия иглы и 
расстояния Z «игла — подложка». Различают четыре характерных 
режима: 1) туннелирование через трапецеидальный барьер; 2) резонансное туннелирование; 3) надбарьерный перенос (тепловая 
или термоэлектронная эмиссия); 4) туннелирование через треугольный барьер (полевая эмиссия). 
Туннелирование через трапецеидальный барьер. Такое туннелирование происходит при напряжениях U меньших примерно  
1 В и при зазоре Z около 1 нм (рис. 5.4). Здесь электроны в металле с 
характерной кинетической энергией ЕF около 5 эВ проходят под 
барьером высотой около 5 эВ на свободные состояния в противопо 
6 

 
E
 
Уровень вакуума 
E 
eU 
eU 
5 эВ 
Eрез 
EС 
EF 
EF 
EV 
5 эВ 
EF 
EС 
EС 
EF 
EС 
EС 
≤ 1 нм 
Z 
≈5 нм 
Z 
Рис. 5.4  
 
 
          Рис. 5.5 
ложном металлическом электроде. Приложенное напряжение наклоняет плоскую вершину барьера так, что он становится трапецеидальным. Для этого режима перекос барьера eU (е — заряд электрона) меньше его исходной высоты Ф. Этот режим является 
традиционным для СТМ-спектроскопии в чистых условиях, т. е. в 
сверхвысоком вакууме, когда высота барьера Ф порядка 5 эВ. Характерным признаком режима является экспоненциальная зависимость тока I от зазора Z «игла — подложка». Ход этой зависимости 
I(Z) определяется эффективной высотой барьера Ф. Зависимость 
I(Z) и форма ВАХ рассматриваются в работе № 6. На воздухе эффективная высота барьера всегда меньше 5 эВ, поэтому более вероятны другие механизмы, например, надбарьерный переход.  
Резонансное туннелирование. Этот механизм переноса связан 
с присутствием в туннельном зазоре нанометровых объектов с полупроводниковой зонной структурой (рис. 5.5). Проявляется оно в 
том, что туннельный барьер при некоторых энергиях становится 
«прозрачным» до такой степени, что электроны с подходящей энергией «беспрепятственно» его преодолевают. Точнее говоря, вероятность преодоления барьера оказывается близкой к единице при 
энергиях Е электрона в узком диапазоне шириной Г (примерно  
1 мэВ) около некоторого значения Е0. Эта энергия резонанса Е0 
обычно на 0,1 эВ выше энергии дна зоны проводимости ЕС полупроводниковой наночастицы и примерно на 0,5 эВ выше уровня 
Ферми соседнего металла в отсутствие напряжения U. Приложенное 
напряжение U сдвигает резонансный уровень Е0 в сторону малых 
энергий, т. е. приближает Е0 к ЕF, из-за чего ток растет по экспоненте. Этот режим характерен для СТС при наличии полупроводнико 
7 

E 
 
eU > 5 эВ 
EF 
EС 
EF 
> 10 нм 
Z 
Рис. 5.6 
Баллистический пролет 
вого наноматериала между иглой 
и подложкой. Если частицы этого 
наноматериала подвижны и (или) 
состоят из подвижных наночастиц, как в жидкой среде, то резонансное туннелирование сопровождается 
шумом 
и 
другими 
эффектами (см. работу № 7). 
Надбарьерный перенос (тепловая или термоэлектронная 
эмиссия). Этот перенос становится основным механизмом выхода 
электрона из иглы при увеличении напряжения U выше работы выхода Ф с одновременным увеличением зазора Z примерно до 10 нм 
(рис. 5.6) в чистых условиях, т. е. при сверхвысоком вакууме. 
Большой зазор делает туннелирование маловероятным. Напряжение уменьшает эффективную высоту барьера, и вероятность выхода электрона из иглы поверх барьера увеличивается. Число таких 
электронов с энергией выше барьера определяется «хвостом» распределения Ферми — Дирака. Этот «хвост» с хорошей точностью 
совпадает с распределением Больцмана. Оказавшись поверх потенциального барьера, электроны ускоренно пролетают зазор в 
10 нм между иглой и подложкой без столкновений (баллистический пролет) и достигают подложки с кинетической энергией около 5 эВ. Этот режим удобен для изучения нанометровых слоев диэлектрика в чистых условиях. 
На воздухе поверхности иглы и подложки покрыты пленкой 
конденсированной влаги. Толщина этой пленки может достигать 
сотен нм, а ее эффективная работа выхода Ф может быть много 
меньше, чем у идеальных диэлектриков (вплоть до 0,1 эВ). Если 
высота барьера Ф уменьшается примерно до 1 эВ, то надбарьерный переход становится более вероятен, чем туннелирование. Это 
происходит не только при больших зазорах Z порядка 10 нм, но и 
при малых (порядка 1 нм). Как и резонансное туннелирование, 
этот механизм переноса приводит к экспоненциальным зависимостям тока от напряжения.  
Туннелирование через треугольный барьер (полевая эмиссия). Это туннелирование происходит, когда напряжение U на игле 
 
8 

 
E 
Туннелирование 
Eэл > 108 В/см 
EF 
Баллистический 
пролет 
EС 
~ 1 нм 
Z 
Рис. 5.7 
так сильно искажает линии зон, 
что 
вместо 
трапецеидального 
барьера появляется треугольный, 
причем его ширина мала — около 
1 нм (рис. 5.7). Для такого перекоса барьера напряженность электрического поля Eэл должна превысить значения 108 В/см, т. е. 
приблизиться к напряженности, 
характерной для внутриатомных 
электрических полей. Такие поля 
в СТМ получают в сверхвысоком 
вакууме после тщательной очистки игл с характерным радиусом 
закругления острия R = 1 нм. Столь малое значение радиуса R говорит о том, что острие должно оканчиваться одиночной группой из 
нескольких атомов (кластером). Напряженность электрического поля Eэл в окрестности такой иглы пропорциональна напряжению U и 
обратно пропорциональна радиусу R: Eэл = U/R. Для этого режима 
ВАХ имеет вид прямой в координатах Фаулера — Нордгейма,  
(1/Eэл; ln(J/
2
эл
E )), где J — поверхностная плотность электрического 
тока. При напряжениях U около 10 В режим эмиссии электронов 
применяется для СТМ-нанотехнологии, а также при начальном 
сближении иглы с подложкой в условиях сверхвысокого вакуума, 
как было рассмотрено в работе № 4. 
При снятии ВАХ на воздухе типичные осциллограммы тока I и 
напряжения U выглядят так, как показано на рис. 5.8. В цикле снятия ВАХ сначала напряжение U между иглой и подложкой равно 
заданному рабочему напряжению обратной связи UОС (например, 
0,5 В). При этом система обратной связи (ОС) СТМ поддерживает 
ток I равным заранее заданному значению IОС (например, 0,5 нА). 
Затем ОС отключается и напряжение U линейно меняется в заранее заданных пределах (например, от Umin = –1 В до Umax = +1 В) в 
течение заданного времени (например, 10 мс). Значения измеренного тока I сохраняются в памяти ПЭВМ в массиве ВАХ (рис. 5.9). 
После прохождения заданных значений U обратная связь восстанавливается на заданное время (например, на 10 мс), после чего 
процедура снятия ВАХ повторяется. 
 
9 

 I(t) 
Imax 
I 
 
0 
Imax 
Ioc 
t 
Imin 
Umin 
U(t) 
Umax 
Umax 
0 
U 
0 
Uoc 
t 
Imin 
Umin 
Рис. 5.8  
 
 
      Рис. 5.9 
 
Если измеренная ВАХ близка по форме к экспоненте (кривая 1 
на рис. 5.10), т. е. сильно искривляется при увеличении напряжения 
U в окрестности 1 В, то можно выбирать из двух механизмов: надбарьерный перенос и резонансное туннелирование. Если же ВАХ 
более плавная (кривые 2 и 3 на рис. 5.10), то можно рассмотреть 
туннелирование через трапецеидальный барьер (см. работу № 6). 
На воздухе типичные ВАХ имеют экспоненциальный вид (как 
на рис. 5.8). При плохой повторяемости ВАХ, измеряемых через 
время порядка 10 мс, можно применить усреднение. Такую сред1 .107
6
J,  
107 А/см2 
0,8 
8 .106
0,6 
6
6 .106
3 
0,4 
4 .106
2 
0,2 
2 .106
1 
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0
0 
0,2 
0,4 
0,6 
0,8 
U, В 
Рис. 5.10 
 
10