Режимы работы системы обратной связи в туннельном микроскопе

Тунелный микроскоп может работать в двух режимах:

1. режиме постоянного тока;

2. режиме постоянной высоты.

В первом режиме система обратной связи устанавливается в начале работы на определенное значение туннельного тока, определяемое оператором в середине динамического диапазона изменения тунельного тока. При сканировании поверхности образца за счет изменения рельефа поверхности происходит изменение расстояния между зондом и образцом, что приводит к изменению тунелного тока. Значения туннельного тока отклоняются от установленного оператором значения. Система обратной связи вырабатывает сигнал рассогласования пропорциональный отклонению значения туннельного тока от установленного значения. Этот сигнал рассогласования подается на пьезокерамический Z – драйвер управляющий расстоянием между образцом и зондом, что приводит к изменению геометрических размеров пьезокерамики и соответственно к восстановлению предустановленного расстояния между зондом и образцом (к установленному оператором значению туннельного тока). Таким образом, в этом режиме сигнал рассогласования системы обратной связи пропорционален величине изменения рельефа поверхности. Для построения изображения поверхности в режиме постоянного тока используется именно сигнал рассогласования из системы обратной связи.

Во втором режиме – постоянной высоты система обратной связи во время сканирования отключена. В этом случае туннельный ток усиливается и записывается как сигнал изображения рельефа поверхности образца. Такой режим сканирования подходит только для экспериментов с атомарно гладкими поверхностями, поскольку в случае значительного изменения рельефа поверхности происходит разрушение зонда. Поверхность образца для таких экспериментов подвергается специальной подготовке: - полировке, удалению загрязнений и отжигу в условиях сверхвысокого вакуума, а сам эксперимент проводят при низких температурах. Изменение туннельного тока в условиях атомарно гладкой поверхности происходит в основном за счет изменения рельефа поверхностной плотности валентных электронных оболочек атомов поверхности. Таким образом, получаемая картина поверхности отображает распределение электронной плотности в поверхностном слое атомов. 

Измерение локальной работы выхода с помощью СТМ

Для неоднородных образцов туннельный ток является не только функцией расстояния от зонда до образца, но и зависит от значения локальной работы выхода электронов в данном месте поверхности. Для получения информации о распределении работы выхода применяется метод модуляции расстояния зонд-образец ΔZ. С этой целью в процессе сканирования к управляющему напряжению на Z-электроде сканера добавляется переменное напряжение с внешнего генератора на частоте ω. Это приводит к тому, что расстояние зонд - образец оказывается промодулированным на частоте ω.

Частота ω выбирается выше частоты полосы пропускания петли обратной связи для того, чтобы система обратной связи не могла отрабатывать данные колебания зонда. Амплитуда переменного напряжения выбирается достаточно малой, чтобы возмущения туннельного промежутка также были малыми.

В свою очередь, колебания расстояния зонд-образец приводят к тому, что появляется переменная составляющая тока на частоте ω. Детектируя амплитуду колебаний туннельного тока в каждой точке кадра, можно построить одновременно с рельефом Z=f(x,y) распределение величины локальной работы выхода φ(x,y) относительно начальной или контрольной точки на исследуемом участке поверхности.