3.2.4. Перпендикулярные процессы

В группе перпендикулярных процессов отдельные атомы, молекулы или их группы переносятся с поверхности подложки на острие зонда и обратно. Для простоты ограничимся рассмотрением переноса только с поверхности на зонд. Энергия, требуемая для такого процесса, соответствует потенциальному барьеру, который должна преодолеть покидающая поверхность частица. Величина этого барьера зависит от расстояния между зондом и поверхностью подложки, на которой находятся предназначенные для перемещения атомы, а также от величины и направления электрического поля, действующего в зазоре. В зависимости от эффективности действия электрического поля манипуляция атомами может быть осуществлена с помощью контактного переноса, полевого испарения и электромиграции.

Контактный перенос представляет собой простейшую реализацию перпендикулярных процессов. Он осуществляется путем сближения зонда и предназначенного для переноса атома до расстояния, при котором потенциальные ямы для адсорбции на зонде и на подложке не сольются. Атом в такой ситуации оказывается одновременно связанным и с зондом, и с подложкой. Зонд затем отводят от поверхности вместе с адсорбированным на нем атомом. Безусловно, что такое поведение перемещаемого атома может быть лишь в случае, когда его связь с подложкой слабее сил адсорбции на зонде.

Перемещение атомов данным способом может быть осуществлено и без обязательного их отрыва от подложки. При этом расстояния от зонда до подложки выбирают таким образом, чтобы разность в потенциальной энергии атома на зонде и на подложке имела величину, сравнимую с величиной тепловой энергии, благодаря чему и осуществляется перенос атомов. Такой процесс называют почти контактным переносом. Он существенно анизотропен, поскольку величина барьера, который приходится преодолевать перемещаемому атому, определяется потенциальным рельефом подложки.

Как контактный, так и почти контактный перенос осуществляют без приложения электрического поля, что делает их трудно управляемыми с помощью внешних воздействий.

Полевое испарение использует свойство атомов переходить с подложки на зонд при приложении между ними электрического поля. Его рассматривают как термически активируемый процесс, в котором поверхностные атомы ионизируются приложенным электрическим полем, испаряются и, дрейфуя в этом поле, легче преодолевают потенциальный барьер (барьер Шотки), отделяющий их от зонда. Такие условия обычно создают для положительно заряженных ионов, для чего на подложку подают положительный относительно зонда импульсный потенциал. Полевое испарение отрицательно

заряженных ионов сталкивается с конкурирующей электронной эмиссией, которая приводит к расплавлению зонда при подаче на него потенциала, необходимого для формирования отрицательно заряженных ионов.

Электромиграция в зазоре зонд–подложка предполагает те же основные закономерности, что и в твердом теле. Поток носителей заряда увлекает за собой отдельные атомы благодаря зарядовому взаимодействию, а также в результате передачи части кинетической энергии от движущихся электронов атомам при прямых соударениях. Атомная электромиграция обратима и не имеет пороговых ограничений по величине напряженности электрического поля в зазоре. Для эффективного наблюдения электромиграции плотность электронного тока должна быть достаточной для «разогрева» переносимых атомов, т.е. для перевода их в более высокоэнергетичные колебательные состояния.

Рис. 3.7. Изображение в сканирующем туннельном микроскопе искусственного коралла, созданного из 48 атомов железа на Сu(111) подложке(радиус коралла 7,13 нм)

Классический пример, иллюстрирующий возможности манипулирования атомами на поверхности твердого тела, показан на рис. 3.7. Искусственный коралл построен из атомов железа на поверхности меди. Изображение этого коралла, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа, представляет собой распределение плотности электронных состояний, соответствующих атомам железа и меди.

Рассмотренные подходы к манипулированию атомами на поверхности подложки составляют основы атомной инженерии. В принципе, они позволяют создавать наноразмерные структуры с з
аданным атомным составом. Однако следует иметь в виду, что их реальные возможности, ограничения и практическая применимость для различных комбинаций атом–подложка сегодня являются предметом интенсивных научных исследований.