3.5. Atom muhandisligi
Yuqorida aytib o'tganimizdek, STM qattiq jismlar yuzasida alohida atomlarni manipulyatsiya qilish, ya'ni sirtni o'rganishdan tashqari, sirtdagi atomlarning o'rnini o'zgartirish uchun keng o'rganiladi. Umuman olganda, prob va substrat yoki substrat yuzasida adsorbsiyalangan atomlar o'rtasidagi o'zaro ta'sirning uchta mumkin bo'lgan mexanizmi mavjud:
1 - molekulalar orasidagi nisbatan katta masofada harakat qiluvchi Van der Vaals kuchlari yoki qisqa samarali masofaga ega kimyoviy bog'lanish kuchlari tufayli;
2 - elektr maydonida hosil bo'lgan kuchlar tufayli. Shuni ta'kidlash kerakki, STM probi va substrat o'rtasida ~1010 V/m intensivlikdagi maydon hosil bo'ladi, bu maydon bug'lanishi uchun etarli, ya'ni atomlar ta'siri ostida sirtdan chiqariladi. maydon;
3 - elektronlarning noelastik tunnel o'tishlari tufayli. Substratning sirt atomlari yoki desorbent atomlari bilan to'qnashuvda tunnel o'tishlarini amalga oshirgan elektronlar molekulalarni qo'zg'atadi. Bu desorbsiya, dissotsiatsiya yoki molekulalar tuzilishidagi o'zgarishlar bilan birga bo'lishi mumkin. Bundan tashqari, ikkita alohida molekuladan bitta molekula sintezlanishi mumkin.
STM probi va sirt o'rtasidagi o'zaro ta'sirning tabiatiga qarab, bunday manipulyatsiyalar parallel va perpendikulyar jarayonlarga bo'linadi. Parallel jarayonlarda atomlar yoki molekulalar zond yordamida sirt bo'ylab harakatlanadi. Perpendikulyar jarayonlarda atomlar sirtdan zondning uchiga va aksincha harakat qiladi. Ikkala holatda ham pirovard maqsad sirtni atom darajasida qayta qurishdir.Shunday qilib, rekonstruksiyani atomlar orasidagi kimyoviy bog’lanishlarning tanlab uzilishi va keyinchalik yangi bog’larning hosil bo’lishi sifatida qarash mumkin. STM orqali perpendikulyar o'tkazishning uchta turi mavjud: kontaktni uzatish, maydon bug'lanishi va elektromigratsiya.
Parallel jarayonlar. Atomlarning sirtga parallel ravishda siljishi diffuziya yoki atomlarning siljishi orqali amalga oshirilishi mumkin. Ikkala holatda ham o'z o'rnini o'zgartiruvchi atomlar va substrat o'rtasidagi bog'lanish buzilmaydi. Adsorbsiyalangan atom har doim potentsial teshikda bo'ladi. Uning siljishi uchun zarur bo'lgan energiya sirt bo'ylab diffuziyaning energiya to'sig'iga mos keladi. Odatda u (0,01÷1,0) eV energiya diapazoniga mos keladigan adsorbsion energiyaning (0,1÷0,3) ulushiga to’g’ri keladi. Sirtda adsorbsiyalangan atomlarning maydon ta'sirida diffuziyasi zond uchi va sirt o'rtasida hosil bo'lgan kuchli bir jinsli bo'lmagan elektr maydoni tomonidan induktsiya qilinadi. Bu maydonning intensivligi (30÷50) V/nm. Bunday maydon atomlarning ionlanishi va desorbsiyasi uchun etarli. Sirt diffuziyasini tezlashtirish uchun kichik intensivlikdagi elektr maydoni etarli. Adsorbsiyalangan atomning dipol momenti va uning atrofidagi zond tomonidan induktsiya qilingan bir jinsli bo'lmagan elektr maydoni o'rtasida o'zaro ta'sir mavjud. Ushbu o'zaro ta'sir o'sha atomning potentsial gradientni kamaytirish yo'nalishi bo'yicha tarqalishiga olib keladi. Tashqi elektr maydon ta'sir qilganda, adsorbsiyalangan atomning dipol momenti ikkita statik dipol momentini qo'shish orqali aniqlanadi. maydon tomonidan induktsiya qilingan ment (m) va moment ( ) :
pμE(r) ...
bu yerda : - qutblanish tenzori, E(r) esa elektr maydonining intensivligi. Buni hisobga olib, atomning energiya taqsimotini quyidagicha yozish mumkin:
U(r)μE(r) 1 E(r) .
2
Bu potentsial energiya sirtning davriy potentsial energiyasiga qo'shiladi va to'liq potensialning relyefi hosil bo'ladi (3.12-rasm, a). Bunday rel'ef adsorbsiyalangan atomning to'g'ridan-to'g'ri prob ostida joylashgan hududga yo'naltirilgan harakati uchun qulaydir.
Atom-zond o'zaro ta'sirining xususiyatlariga qarab, yakuniy potentsial relyef ikkita variantga ega bo'lishi mumkin.
Zond va atom o'rtasidagi kuchsiz o'zaro ta'sir jarayonida keng potensial teshik hosil bo'ladi (3.12,b-rasm). Bunday holda, potentsial teshikning relyefi sirtning davriy potentsiali bilan modulyatsiya qilinadi. O'zaro ta'sir kuchli bo'lsa, potentsial teshik torayadi va u to'g'ridan-to'g'ri prob ostida lokalizatsiya qilinadi (3.12-rasm, v).
3.12-rasm. STM probi bilan o'zaro ta'siriga qarab yuzasida adsorbsiyalangan atomning potentsial energiyasi
Sirt bo'ylab diffuziya jarayonida adsorbsiyalangan atom shu teshikka tushadi va keyingi zarbaga qadar u erda qoladi.
Atom prob atomlari bilan o'zaro ta'siri tufayli sirt bo'ylab o'z pozitsiyasini o'zgartiradi. 3.13-rasmda
bunday siljish sxematik tarzda tasvirlangan. Ushbu kuchlarning qiymati ushbu o'zaro ta'sirning potentsiali bilan belgilanadi. Probning o'rnini o'zgartirib, yakuniy kuchning qiymati va yo'nalishini nazorat qilish mumkin istiqamətini idarə etmək
D astlab, prob adsorbsiyalangan atomning ko'rinadigan holatiga yo'naltiriladi. Keyin atomlararo o'zaro ta'sir sodir bo'lgunga qadar zond atomga yaqinlashtiriladi. Ushbu yondashuvda tunnel oqimi ortadi. sirt, o'zaro ta'sir vaqtida tunnel oqimini doimiy ushlab turish ular uni o'zgartiradilar va yangi joyga o'tkazadilar. Bu vaqtda zond bilan birga atom ham o'z o'rnini o'zgartiradi. Jarayon oxirida prob sirtdan chiqariladi va oldingi holatiga qaytariladi.
Atom o'z o'rnini zond harakati yo'nalishi bo'yicha o'zgartirishi uchun ularning o'zaro ta'sir kuchlarining kompensatori atom va substrat orasidagi bog'lanish kuchidan kattaroq bo'lishi kerak. Bu kuchning sonli qiymati birinchi yaqinlashuvda sirt diffuziyasi uchun zarur bo'lgan energiyaning sirtdagi atomlararo masofaga nisbati sifatida baholanadi. Probning adsorbsiyalangan atomga yaqinligi atomning o'z o'rnini zondga qarab, ya'ni substrat yuzasiga normal yo'nalishda o'zgartirishiga olib kelishi mumkin. Ushbu atomni sirtdan ajratish uchun zarur bo'lgan kuchning minimal qiymatini bilib, atomning berilgan sirt bo'ylab siljishini ta'minlaydigan kuchni taxmin qilish mumkin.
Atomning sirpanish orqali sirt bo'ylab siljishi prob va substrat yuzasi orasidagi masofaga juda sezgir. Muayyan kritik qiymatlardan kattaroq masofada prob va adsorbsiyalangan atom o'rtasidagi o'zaro ta'sir juda zaiflashadi va uning holatini zond harakati yo'nalishi bo'yicha o'zgartirish mumkin emas. Zond va taglik orasidagi masofaning qiymati tunnel tutashuvining qarshiligi bilan boshqariladi.Ma'lum bir qarshilik kritik masofaga to'g'ri keladi, bu qarshilikning qiymati atomlarning joylashishining tabiatiga qarab bir necha marta o'zgarishi mumkin. probning uchi. Biroq, qarshilikka eng jiddiy ta'sir ko'rsatadigan omil adsorbsiyalangan atomning kimyoviy tabiati va substrat materialidir. Ushbu chegara qarshiligining qiymati 10 kiloohm (k ) dan bir necha megohm (M ) gacha o'zgarishi mumkin.
Perpendikulyar jarayonlar. Ushbu guruh jarayonlarida alohida atomlar, molekulalar yoki ularning guruhlari substrat yuzasidan probning uchiga va aksincha o'tkazilishi mumkin. Oddiylik uchun sirtdan probga o'tish jarayonini ko'rib chiqaylik. Ma'lumki, sirtdagi atom potentsial teshikda joylashgan bo'lib, uning sirtdan zondning uchiga o'tishi uchun zarur bo'lgan minimal energiya potentsial to'siqning balandligiga teng. Prob va sirt o'rtasidagi o'zaro ta'sirning energiyasi ular orasidagi masofaga bog'liq. Shu bilan birga, energiyaning bu qiymatiga atom-zond oralig'ida yaratilgan elektr maydonining qiymati va yo'nalishi ta'sir qiladi. Elektr maydonining tabiati va roliga qarab, manipulyatsiya kontaktni uzatish, maydon ta'sirida bug'lanish va elektromigratsiya orqali amalga oshirilishi mumkin.
Kontaktni uzatish perpendikulyar jarayonlarning eng oddiyidir. Bunday uzatish vaqtida zond uzatiladigan atomga shunchalik yaqinlashtiriladiki, atomning zond va substrat bilan tortishishi tenglashadi. Bu vaqtda atom probga ham, substratga ham biriktirilgan. Agar atomning zondga tortilishi uning substrat bilan o'zaro ta'siridan katta bo'lsa, atom sirtdan zondning oxirigacha harakat qiladi, keyin zond adsorbsiyalangan atom bilan birga sirtdan uzoqlashadi.
bajariladi. Ushbu jarayonda elektr maydoni prob bilan sirt bo'shlig'iga qo'llanilmaydi. Shunday qilib, kontaktlarni uzatish boshqariladigan jarayon emas.
|
