Wskazówki dotyczące obrazowania w wysokiej rozdzielczości
Niedługo po wynalezieniu STM odkryto, że tylko ostro zakończone końcówki umożliwiają stabilne i efektywne obrazowanie struktur atomowych na powierzchniach metalowych. Największą rozdzielczość można uzyskać przy pomocy końcówek zbierających większość prądu tunelowania poprzez orbitale elektronów pojedynczego atomu na wierzchołku. Końcówki STM wykonane są najczęściej z tanich drutów z polikrystalicznego wolframu, przy pomocy wytrawiania elektrochemicznego. Możliwe jest także uzyskanie rozdzielczości w skali piko poprzez zastosowanie końcówek wykonanych z atomów lekkich pierwiastków. Większość metod obróbki końcówek nie pozwala jednak na wytworzenie stabilnych wierzchołków, o dokładnie określonej strukturze atomowej i elektronowej. Kontrolowane wytwarzanie końcówek nadających się do badań przy pomocy STM było jednym z głównych problemów, jakimi zajęli się naukowcy korzystający z dofinansowania ze środków UE. Podstawowym założeniem projektu ORBITAL IMAGING (Electron orbital resolution in scanning tunneling microscopy) było usprawnienie obrazowania powierzchni metalowych o złożonych strukturach. Zespół ORBITAL IMAGING przygotował sondy z wolframu o orientacji [001], zaostrzone w ultrawysokiej próżni przy pomocy nagrzewania wiązką elektronów i rozpylania jonowego. Zarówno skaningowa, jak i transmisyjna mikroskopia elektronowa potwierdziły powtarzalne wytwarzanie jednoatomowych końcówek z nanoskalowymi piramidami na wierzchołkach. Uczeni potwierdzili też zalety stosowania tych monokrystalicznych końcówek wolframowych w obrazowaniu STM powierzchni pirolitycznego grafitu, węgliku krzemu i grafenu. Co ważne, stwierdzono bezpośredni związek między strukturą końcówki a pikoskalową rozdzielczością uzyskiwaną w tych eksperymentach. Monokrystaliczne końcówki wolframowe zastosowano również w wysokorozdzielczym obrazowaniu STM regularnie stopniowanych powierzchni krzemowych. W warunkach precyzyjnej obróbki termicznej wybrane powierzchnie przebudowują się w atomowo dokładne szyki tarasów krzemowych i potrójne stopnie o równej wysokości. Ta niezwykła przebudowa powierzchni była przedmiotem intensywnych badań prowadzonych w ramach projektu ORBITAL IMAGING. Na podstawie wysokorozdzielczych danych STM uzyskanych przy użyciu wysoce stabilnych końcówek wolframowych uczeni ustalili, że można zachować okresowość na rowkowanych powierzchniach krzemowych, i zaproponowali model ich struktury atomowej. W projekcie ORBITAL IMAGING uzyskano rozdzielczość pikoskalową w eksperymentach STM z wykorzystaniem sond wolframowych, porównywalną z najwyższą rozdzielczością uzyskiwaną aktualnie przy pomocy mikroskopii sond skanujących. Ponadto badania eksperymentalne potwierdziły możliwość zastosowania grafenu hodowanego na płytkach z węgliku krzemu w nanoelektronice.
Słowa kluczowe
Tunelowa mikroskopia skaningowa, orbitale, wolfram, ORBITAL IMAGING, powierzchnie metalowe, węglik krzemu, nanoelektronika
