Микроскопия поверхности твердого тела

Физика поверхностных явлений в настоящее время является одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки. Именно на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твердого тела основаны успехи современных микро- и наноэлектроники, гетерогенного катализа, космических технологий и т.п. Поэтому исследование разнообразных электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел, остается актуальной задачей. И заветное желание ученых (и не только ученых) на протяжении многих лет – непосредственное наблюдение за поведением отдельных атомов на поверхности твердого тела и изучение процессов с участием одиночных или небольших групп атомов. Первостепенное значение для понимания свойств любого объекта имеет знание его атомной структуры, поэтому определение поверхностных структур – один из наиболее важных разделов физики поверхности. Последние 30 лет микроструктура поверхностей твердых тел интенсивно изучалась методами дифракции и рассеяния электронных и ионных пучков, а также электронной спектроскопии.

Долгое время основным методом исследования структуры поверхностей служил метод дифракции медленных электронов (ДМЭ), с применением которого связан существенный прогресс в развитии науки о поверхности. Достаточно упомянуть, что с помощью ДМЭ была открыта атомная реконструкция поверхностей - существование особого их структурного состояния, отличного от объемного, и обнаружено большое количество специфических фазовых переходов на поверхностях, как чистых, так и покрытых адсорбированными пленками. В методе ДМЭ тонкий коллимированный моноэнергетический пучок электронов низкой (до десятков электронвольт) энергии направляется на поверхность исследуемого кристалла. Так как энергия падающих электронов сравнительно невелика, то они проникают на глубину всего одного-двух атомных слоев, поэтому анализ углового распределения дифракционных рефлексов, образованных рассеянным пучком, дает сведения о расположении атомов в поверхностном слое. Такая информация, однако, методически связана со структурой обратной (а не прямой!) решетки и оказывается усредненной по относительно большой площади поверхности кристалла.

Научно-технический прогресс в этом направлении привел к тому, что в настоящее время существуют приборы, позволяющие отображать отдельные атомы. Нами будут рассмотрены некоторые из них, а именно, полевой ионный и сканирующий туннельный микроскопы. Однако прежде всего будут рассмотрены вопросы формирования автоэмиссионного изображения в проекторе Мюллера. Подчеркнем, что в случае автоионного и автоэлектронного микроскопов исследуемые образцы должны иметь форму острых игл (автоэмиттеров) из проводящего материала с радиусом закругления не более 1000 Å. Поэтому изобретение в 1982 году Г. Биннигом и X. Рорером сканирующего туннельного микроскопа, который не накладывает ограничений на размеры образцов, реально открыло двери в новый микроскопический мир.