Низкочастотные шумы сканирующего туннельного микроскопа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Бычихин, Сергей Анатольевич

• Бычихин, Сергей Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бычихин, Сергей Анатольевич

Введение.

Задачи диссертационной работы

Структура диссертации.

Глава 1. Современное состояние исследований шума контакта СТМ.

1.1 .Общие свойства шума 1Я в проводящих системах.

1.2.Низкочастотный шум туннельного тока СТМ.

Глава 2. Экспериментальная установка и методы измерений.

2.1.Описание экспериментальной установки и программного обеспечения

2.2.Влияние обратной связи на измерение шума СТМ.

2.3.Измерение спектральной плотности мощности шума.

2.4. Измерение ковариационной функции шума.

2.5.Шумы аппаратуры СТМ.

Глава 3. Эмпирическая модель туннельного перехода.

3.1 .Теоретическое обоснование модели.

3.2.Методы измерения параметров'туннельного контакта.

3.3.Экспериментальные результаты.

Глава 4. Исследование низкочастотных флуктуаций туннельного тока

4.1 .Модель флуктуаций туннельного тока.

4.2.Характеристики флуктуаций тока и зависимость от режима работы туннельного контакта.

4.3.Исследование стационарности флуктуаций туннельного тока.

4.4. Составляющие шума туннельного тока и оценка ширины туннельного барьера.

4.5. Влияние движения иглы на флуктуации туннельного контакта.

Глава 5. Измерение механических флуктуаций с помощью емкостного датчика перемещений.

5.1. Оценка величины механических флуктуаций СТМ и конструкция емкостного датчика.

5.2. Расчет чувствительности емкостного датчика.

5.3. Методика измерения механических флуктуаций СТМ и результаты измерений.

Основные результаты диссертации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Низкочастотные шумы сканирующего туннельного микроскопа»

Диссертационная работа посвящена исследованию низкочастотных флуктуаций туннельного тока в сканирующем туннельном микроскопе (СТМ). Именно низкочастотный шум со спектром 1И определяет предельную чувствительность и разрешающую способность туннельной микроскопии. Однако, механизм фликкерных флуктуаций туннельного тока остается мало изученным явлением. Главной целью работы являлось выяснение основных источников флуктуаций туннельного контакта СТМ и определение их вклада в низкочастотный шум туннельного тока.

Действие СТМ основано на явлении туннелирования электронов между двумя проводниками, разделенными тонким слоем изолятора. Одним из проводников является исследуемая поверхность, а другим служит острый зонд (игла), приближаемый к исследуемой поверхности. Величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между зондом и поверхностью, и значительный ток протекает лишь при атомных расстояниях. Область протекания тока ограничена одним или группой атомов на острие иглы и такого же порядка площадью на поверхности образца. Этим объясняется исключительно высокое пространственное разрешение СТМ.

Регистрируя изменение туннельного тока можно измерять смещение иглы относительно поверхности. Для того, чтобы поддерживать устойчивый туннельный контакт в СТМ обычно используется обратная связь. Цепь обратной связи управляет шириной туннельного зазора так, чтобы туннельный ток оставался постоянным. При измерении рельефа поверхности зонд перемещается вдоль образца. Регистрируется или изменение туннельного тока при перемещении зонда на постоянной высоте над поверхностью или сигнал обратной связи, обеспечивающий постоянство туннельного тока.

Дополнительную информацию об исследуемой поверхности дает измерение дифференциальных характеристик туннельного контакта - проводимости контакта и крутизны зависимости тока от ширины зазора. Проводимость туннельного контакта зависит от плотности электронных состояний, а крутизна - от высоты туннельного барьера.

Благодаря своему уникальному пространственному разрешению, сканирующая туннельная микроскопия наряду с другими методами зондовой микроскопии открыла новые возможности для исследований в самых разнообразных областях науки и технологии. Изобретатели СТМ - Бинниг и Рорер были удостены Нобелевской премии по физике 1981г. Визуализация поверхности с атомным разрешением широко используется в современной микроэлектронике для изучения и создания субмикронных приборов [1], дает средство контроля технологического процесса изготовления микросхем. С помощью туннельного микроскопа можно наблюдать не только поверхности проводников, но и разнообразные биологические объекты такие как ДНК и липосомы, причем СТМ дает возможность наблюдать эти объекты в условиях близких к естественным [22].

СТМ может использоваться не только для регистрации физических параметров поверхности образца, но и как средство воздействия на поверхность и отдельные атомы. Изменяя ширину зазора между зондом и поверхностью образца и управляя напряжением на туннельном переходе, можно изменять величину и направление силы, действующей на атомы поверхности со стороны иглы. Это, в частности, позволяет перемещать отдельные атомы по поверхности образца. Так, D.M Eigler & E.K. Schweizer с помощью СТМ выложили на никелевой подложке логотип фирмы ЮМ из 35 атомов ксенона [2]. J.K. Gimzhevski and R. Moller осуществили различные типы топографической модификации поверхности. С помощью иглы СТМ они создавали на пленке золота локальные поднятия и впадины с линейными размерами порядка 100А и высотой (глубиной) профиля порядка 3-10А [16].

СТМ может использоваться и в качестве высокочувствительного датчика малых перемещений. Преимущество туннельного датчика перед обычными емкостными датчиками заключается в уменьшенном обратном воздействии на измерительный объект [9,10]. У емкостного датчика коэффициент трансформации механической величины в электрическую равен коэффициенту обратного воздействия. Поэтому, чем меньшее смещение необходимо регистрировать, тем больше обратное воздействие на измеряемый объект. У туннельного датчика коэффициент трансформации смещения в электрический сигнал больше, чем коэффициент обратного воздействия на объект. Поэтому использование туннельного датчика малых смещений улучшает чувствительность измеряемой схемы. Было показано, что с помощью туннельного датчика в принципе может быть достигнут квантовый предел по измерению расстояний [19,20].

Чрезвычайно малые размеры области протекания туннельного тока приводят к тому, что даже небольшие возмущения в области контакта, обусловленные, например, движением примесных атомов или дефектов, должны приводить к большим относительным изменениям параметров туннельного перехода. По сравнению с другими датчиками и приборами современной электроники, например полупроводниковыми, туннельный переход является сильно шумящим прибором. Шум, генерируемый переходом, доминирует над другими шумовыми источниками в СТМ и имеет определяющее значение для чувствительности и разрешающей способности СТМ. Так точность позиционирования зонда с помощью пьезоэлектрического манипулятора СТМ составляет десятые доли ангстрема, а шум туннельного тока ограничивает точность измерения смещения иглы на уровне нескольких ангстрем.

Рабочий диапазон частот СТМ не превышает нескольких десятков килогерц. В этой области частот фликкерные флуктуации туннельного тока намного превышают тепловой и дробовой шум туннельного контакта. Природа шума 1/£ до конца не раскрыта даже в традиционных приборах и материалах электроники (например, полупроводниках, металлах), для которых шумовые исследования имеют многолетнюю историю. Тем более это относится к такому сравнительно новому прибору как СТМ.

Высокое пространственное разрешение СТМ делает его новым инструментом и для исследования флуктуаций. СТМ дает возможность исследовать механизм шумообразования непосредственно на молекулярном уровне. С его помощью возможно измерение локальных характеристик флуктуаций в разных точках образца. При этом в определенных пределах можно управлять эффективным размером контактной области путем изменения режима работы туннельного перехода (тока контакта и напряжения на контакте). Все это открывает перспективы использования СТМ для решения таких актуальных задач физики шумов в проводящих материалах, как определение эффективных размеров флуктуаторов, форма спектра и мощность шума, генерируемого отдельными флуктуаторами, и их распределение по поверхности образца.

Задачи диссертационной работы.

В настоящее время 1Я" шум туннельного перехода мало изучен. Современное состояние проблемы таково, что нет единого взгляда ни на источники флуктуаций, ни на механизм шумообразования в туннельном контакте. Очерчен лишь круг явлений (процессы адсорбции десорбции молекул на поверхности иглы и образца, поверхностная диффузия адсорбированных атомов), которые могут вызывать фликкерные флуктуации туннельного тока. Общее число публикаций по шумам СТМ невелико, и систематические исследования низкочастотного шума СТМ практически отсутствуют.

Главная трудность изучения шума туннельного контакта игла-образец связана с тем, что он представляет собой сложную нелинейную многопараметрическую систему. Электрические характеристики контакта могут быть измерены, но их трудно предсказать теоретически, поскольку отсутствует даже исходная информация о внутренней структуре контакта, необходимая для квантовомеханического расчета. Эта неопределенность сильно увеличивается для контакта СТМ, работающего в обычных лабораторных условиях, и подверженного действию атмосферы.

Поэтому первоочередной задачей диссертационной работы являлась разработка эмпирической модели туннельного перехода, параметры которой допускали бы ясную физическую интерпретацию и могли быть определены экспериментально. Низкочастотные флуктуации туннельного тока рассматривались как результат флуктуаций параметров. На основе такой шумовой модели проводился анализ экспериментальных результатов и решался основной вопрос работы - о вкладе различных шумовых источников во флуктуации туннельного тока. Помимо этого, в задачи работы входило исследование зависимости флуктуаций от величины туннельного тока и напряжения на контакте, изучение распределения вероятности и стационарности флуктуаций, а также выяснение локализации физических источников шума в системе игла-образец.

Решение этих научных задач потребовало: -модернизации аппаратуры СТМ; -разработки специального программного обеспечения для управления работой СТМ, измерения флуктуаций и статистической обработки результатов измерений; -оценки влияния шумов электронной аппаратуры и механических флуктуаций СТМ, -анализа влияния цепи обратной связи СТМ на измеряемые характеристики шума, -разработки методов измерения флуктуаций отдельных шумовых источников туннельного контакта.

Объектом экспериментального исследования был туннельный контакт между платино-иридиевой иглой и поверхностью графита. Этот традиционный объект туннельной микроскопии хорошо изучен и обладает хорошей воспроизводимостью параметров.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и Приложения. Первая глава содержит обзор современного состояния исследований шумов СТМ.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Бычихин, Сергей Анатольевич

Основные результаты диссертации

В результате исследований низкочастотного шума СТМ, проведенных в диссертационной работе, сделаны следующие основные выводы, которые выносятся на защиту:

1. Предложена и экспериментально обоснована эмпирическая модель туннельного контакта СТМ, параметры которой отражают физические параметры контакта: эффективную ширину и высоту потенциального барьера и плотность электронных состояний. На основе этой модели рассчитаны составляющие низкочастотного шума туннельного тока, вызванные флуктуациями параметров модели и флуктуациями контактного потенциала.

2. Разработан метод измерения составляющих шума туннельного тока, вызванных флуктуациями проводимости контакта, контактного потенциала и высоты потенциального барьера. Метод основан на измерении корреляции между флуктуациями туннельного тока и флуктуациями откликов туннельного тока на модуляцию напряжения, приложенного к контакту, и на модуляцию расстояния между иглой и образцом. С помощью этого метода экспериментально показано, что флуктуации контактного потенциала и флуктуации высоты потенциального барьера вносят основной и примерно одинаковый по величине вклад во флуктуации туннельного тока.

3. Показано, что измерение шума туннельного тока и его составляющей, вызванной флуктуациями высоты потенциального барьера, позволяет оценить эффективную ширину потенциального барьера. Экспериментальные значения ширины барьера при туннельном токе 0.5нА и напряжении на контакте 0.05В составили 0.18нм.

4. Предложен метод изучения распределения источников флуктуаций между иглой и образцом, основанный на измерении корреляционных и спектральных характеристик шума при различной скорости движения иглы вдоль поверхности образца. Экспериментально показано, что для исследованного туннельного контакта наиболее интенсивные источники расположены на поверхности иглы.

5. Создана аппаратура и программное обеспечение для исследования низкочастотного шума туннельного тока СТМ. Эквивалентный входной шумовой ток

Л 1 л>-29 установки составляет 4 Ю — , что намного меньше типичных значении шумового

Гц тока туннельного контакта. С помощью емкостного датчика измерен механический шум установки, вызывающий изменение ширины туннельного контакта. Шум не превышает Ю"8 и не вносит заметного вклада во флуктуации туннельного тока. Гц

В заключение диссертационной работы выражаю благодарность научным руководителям Василию Васильевичу Потемкину и Александру Викторовичу Степанову. Лекции, читавшиеся профессором Потемкиным, в течение двух лет для меня лично, сформировали мой научный кругозор. Опыт и искусство измерений Степанова сыграли решающую роль при постановке экспериментов. Их постоянная поддержка, забота и внимание были основной движущей силой в работе над диссертацией.

Выражаю признательность Игорю Владимировичу Яминскому, за возможность работы с микроскопом СКАН8. На острие игл, любезно предоставленных им, проводились все исследования в данной работе.

Отдельная благодарность Владимиру Михайловичу Шахпаронову, чья неукротимая энергия и организаторские таланты позволили легко преодолевать самые разнообразные трудности и препятствия. Общение с ним поддерживало в трудные минуты.

Для меня было большой честью выполнять работу на кафедре физики колебаний физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова. Выражаю признательность всему коллективу кафедры за теплую и творческую атмосферу.

С чувством благодарности вспоминаю обсуждение отдельных аспектов работы с Маратом Олеговичем Галлямовым.

Данный труд был бы невозможен без поддержки и понимания со стороны Ираиды Васильевны Яковлевой и моей семьи. Спасибо.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Бычихин, Сергей Анатольевич, 2000 год

1. Binnig G. Rohrer Н. 'Scanning tunneling microscopy' 1.M J.Res.Develop. v30 №4 (p.355) july 1986

2. Eigler D.M Schweizer E.K. 'Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope' Nature v344 №6266 (p.524) aprill 990

3. Möller R. Esslinger A. Koslowski B. 'Noise in vacuum tunneling:Aplication for a novel scanning microscope' Appl.Phys.Lett. v55 №22 (p.2360) november 1989

4. Koslowski B. Baur C. 'New potentiometry method in scanning tunneling microscopy: Exploiting the correlation of fluctuations' J.Appl.Phys. v77 №1 (p.28) january 1995

5. Lozano M.L. Tringides M.C. 'Surface diffusion measurements from STM Tunneling current fluctuations' Europhys.Lett v30 №9 (p.537) june 1995.

6. Maeda K. Sugita S. Kurita H. and other 'Spatial variation of 1/f current noise in scanning tunneling microscopes' J.Vac.Sci.Tecbnol. В vl2 №3 (p.2140) june 1994

7. Moiseev Yu.N. Panov V.l. Savinov S.V. and other Ultramicroscopy, 42-44, (p.1569) 1992

8. Виноградов С.А., Голубок H.A., Тарасов H.A., Тимофеев В.А. "О возможности использования шумов СТМ-изображения при исследовании поверхностных неоднородностей" Научное приборостроение стр.3-8 №3 1991

9. Kendall A. Stephenson, Mark F. Bocko «Reduced noise nonreciprocal transducer based upon vacuum tunneling» Phys. Rev. A v40 №11 (p.6615-6625) decemberl,1989.

10. Kendall A. Stephenson, Mark F. Bocko «Vacuum Tunneling Probe: A Nonreciprocal, Reduced-Back-Action Transducer» Phys.Rev.Letters v.61 №6 (p.726-729) august8, 1988.

11. Wandass J.H., Murday J.S., Colton R.J., «Magnetic field sensing with magnetostrictive materials using a tunneling tip detector» Sensors and Actuators v. 19 (p.211-225) 1989

12. Binnig G., Fuchs H., Stoll E., «Surface diffusion of oxygen atoms individually observed by STM» Surf.Sei. v.169 (p.L295-L300) 1986.

13. Вольф ЕЛ. "Принципы электронной туннельной спектроскопии" Наукова думка Киев 1990 г.

14. Дженкинс Г., Ватте Д., «Спектральный анализ и его приложения»

15. Gomer R., «Extensions of the field-emission fluctuation method for the determination of surface diffusion coefficients» Appl.Phys. A v.39 (p. 1-8) 1986.

16. Gimzhewski J.K., Möller «Transition from the tunneling regime to point contact studied using scanning tunneling microscopy» Phys.Rev. В v.36 №2 (p. 1286-1287) julyl5 1987

17. Ciraci S., Tekman E. «Theory of transition from the tunneling regime to point contact in scanning tunneling microscopy» Phys.Rev. В v.40 №17 (p. 11969-11972) decemberlS1989

18. Митрофанов В.П.б Якимов B.H., «Стандартный квантовый предел при измерении малы сил с использованием туннельного датчика»Вестн.Моск.Ун-та, Сер.З физика, астрономия т.ЗО №4 стр.36-41 1989

19. Гусев A.B., Мележников И.В. "Минимальный коэффициент шума туннельного датчика перемещений" Новые радиоэлектронные системы и элементы стр.2009-20101990

20. Isshiki N., Kobayashi К., Tsukada М., «Effect of electronic states of the tip on the STM image of graphite» Surf.Sci.Lett. v.238 (p.L439-L445) 1990

21. Бычихин С.А., Галлямов М.О., Потемкин В.В., Степанов А.В., Яминский И.В., "Сканирующий туннельный микроскоп измерительное средство наноэлектроники" Измерительная техника №4 стр.58-61 апрель 1998

22. Отнес Р., Эноксон Л., «Прикладной анализ временных рядов» изд. «Мир» Москва 1982 г.

23. Бендат Дж., Пирсол А. "Прикладной анализ случайных данных" изд. "Мир" Москва 1989г.

24. Johnson J.B. Phys.Rev. 1925 v.26p.71

25. SchottkyW. Phys.Rev. 1926, v.28.,p.74

26. M.Gardner (1978) White and brown music, fractal curves and 1/f fluctuations Scientific American 238 (4) 16-32 (April 1978)

27. M.Yamamoto, M.Nakao, K.Nakamura, et al. "1/f Fluctuations of Cat's Inter-Heartbeat Intervals in Extremely Low Frequency Range" XV International Conference on Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations p. 191-194 Hong-Kong 1999

28. R.F. Voss J.Clarke (1978) "1/f noise in music: music from 1/f noise" J.Acoust.Soc.Am. 63,258-263

29. I.Flinn (1968) Extent of the 1/f noise spectrum Nature 219, 1356-1357

30. M.A Caloyanides (1974) Microcycle spectral estimates of 1/f noise in semiconductors J.Appl.Phys. 45, 307-316

31. Voss R.F. Clarke J. 1/f noise from systems in the thermal equilibrium Phys.Rev.Lett. 1976 V.36N31 p.42-45

32. Beck H.G.E. Spruit W.P. 1/f noise in the variance of Johnson noise J.Appl.Phys. 1978 v.49 N6 3384-3388.

33. Tandon J.L.Bilger H.R. -J.Appl.Phys. 1976 v.47 p.1697

34. Hooge F.N. Phys.Lett.Ser.A. 1969, v.29, p.139

35. Vande Voorde P.,Iddings C.K.,Love W., Phys.Rev.Ser. B, 1979, v. 19, p.4121

36. Eberhard J.W.,Horn P.M., Phys.Rev. Ser.B, 1978, v. 18, p.6681

37. Eberhard J.W.,Horn P.M., Phys.Rev. Lett., 1977, v.39, p.643

38. Жигальекий Г.П.,Карев А.В., Сиранашвили И.Ш. сборник тезисов докладов 5-й Всесоюзной конференции Флуктуационные явления в физичееких системах. Вильнюс 1988г., с. 133

39. Жигальекий Г.П. и др. Изв.вузов Радиофизика 1990г. т.ЗЗ, с. 1181

40. M.J.Kirton, M.J.Uren "Noise in solid-state microstructures: a new perspective on individual defcts, interface states and lowfrequency (1/f) noise" Advances in Physics, vol.38, N4 p.367-468, 1989

41. Du Lei, Zhuang Yiqi "Microscopic simulation on trapping 1/f noise in MOS devices" XV International Conference on Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations Hong-Kong 1999y., p.104-107

42. M.J.Deen, S.Rumyantsev "Low frequency noise in polysilicon emitter bipolar junction transistors" ibid p.47-53

43. S.G.-Jarrix,C.Delseny et.al "First order and low frequency noise study of 0.35mkm polysilicon bipolar transistor Influnce of RTS noise" ibid p. 108-111

44. Бычихин C.A., Потемкин В.В., Степанов А,В., Яминский И.В. «Шумы сканирующего туннельного микроскопа» Материалы докладов научно-технического семинара «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» Москва 1997г. с.40-45

45. Бычихин С.А., Степанов А,В. «Оценка флуктуаций механики в сканирующем туннельном микроскопе» Материалы докладов научно-технического семинара «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» Москва 2000г. с.59-63

46. Bychikhin S.A., Potemkin V.V., Stepanov A.V. " Components of the Tunneling Current 1/f Noise in STM." XV International Conference on Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations Fluctuations Hong-Kong 1999y., p.337-339

47. Бычихин С.А., Потемкин В.В., Степанов А.В.,"Оценка ширины туннельного барьера в сканирующем туннельном микроскопе по характеристикам шума" Измерительная техника №12 стр.55-59 декабрь 1999

48. Toshimitsu Musha "1/f fluctuations in energy pertition in thermal equilibrium" XV International Conference on Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations Hong-Kong 1999y., p.18-22

49. B.K.Jones "Noise Limitations to the size of integrated circuit transistors" ibid., p.13-17

50. J.C. Slonczewski, P.R.Weiss "Band structure of the graphite" Phys.Rev., v.109 №2 1958y., p.272-279