Сканирующая туннельная микроскопия и спектроскопия фотоактивных белков, пленков и зародышей металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ч о 3 8 % ■

V '

„ЮСКОВСХИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УЕШРОГГЕТ и:лени М.В.ЛО.ЮНОСОВА

ФИЗЛЧЕСКЙ1 ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 537.312

СКЛЕКОВ Александр Эдвардович

СКАНИРУЩАЯ ТУННЕЛЬНАЯ ЛКРОСдШИЛ И СПЕКТРОСКОПИЯ ФОТОАКТИВННХ БЕЛКОВ, ПЛЕНОК И ЗАРОДаиК! .¿ШЛЛОВ

/01.04.03 - радиофизика, ОГ-ОУ.ОЧ-фз&змеска? злех/п/змхлга/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Цосква - 1991

Работа выполнена на кафедре квантовой радиофизики физического факультета ¿НУ им.Л.а.Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук 3.И.Панов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук Ю.А Романовский кандидат физико-математических наук З.З.Кнслов

ведущая организация: ;1нститут физики при Санкт-

петербургском государственном университете

Защита диссертации состоится "/У " 199&.

в/6 часов в ауд.-^*/^на заседании Специализированного Ученого Совета й /шифр К.053.05.92/ отделения радиофизики в Московском государственном университете им.,."и13.Ломоносова /адрес :119Ь99, ¡Лосква, Ленинские горы, .«НУ, физический факультет/.

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке физического фшдгльтета ,.1ГУ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного Ученого Совета И.В. Лебедева

- 3 -

Общая характеристика работы

Актуальность теш. Создание нового метода исследования поверхности, сканирующей туннельной, микроскопии, дало новый импульс в развитии ряда областей науки, таких как физика твердого тела, химия поверхности, биология, метрология. Интерес к сканирующему туннельному микроскопу вызван его исключительными свойствами:

I/ сверхвысокое разрешение / 0,02 А по нормали к поверхности образца и I + 2 А вдоль поверхности/, позволяющее получать микротопографш в трех измерениях в атомном масштабе;

2/ неразрушающая природа /энергия электронного пучка от I мэВ до 4 эВ/;

3/ возможность получения профиля работы выхода;

4/ возможность исследования распределения локальной плотности электронных состояний.

Неразрушающая природа СТМ и его способность работать в различных диэлектрических средах открывает пути исследования биологических молекул, практически не нарушая их структуры. Большой интерес представляет использование СИЛ в качестве инструмента .для манипуляций с отдельными белковыми молекулами. Для физики пленок важное значение имеет исследование процесса формообразования зародышей, островковых пленок. Важные науч- . ные и практичесьдое результаты имеет изучение коррозии сплавов и образования из их объема новых фаз на поверхности. Принципиально новые возможности для исследования электронной структуры поверхности дает развитие метода сканирующей туннельной спектроскопии.

Целью данной работы была разработка и создание аппаратуры сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии поверх-

ности в условиях воздушной среды и сверхвысокого вакуума, а также исследование структуры и электронных свойств фотосинте-тическюс реакционных центров /Щ/, высокоориентированного пи-ролитического графита, корродирующих сплавов и островковых пленок металлов.

Первая задача состояла в нахождении адекватного метода измерения и обработки СМ данных для получения информации об электронной структуре образца.

Вторая задача включала создание аппаратуры туннельной микроскопии и спектроскопии, в состав которой входят: механическая часть СТЛ, размещенная в сверхвысоко вакуумной камере УСУ-4, электронный блок микроскопа, управляющая ЭШ.

Исследование ЕЦ включало определение оптимальных условий наблюдения, механизмов и каналов проводимости и разработку методики переноса и осаждения молекул на подложку. Другие задачи требовали изучения геометрической и электронной структуры поверхности.

Научная новизна. В результате проведенных на СТМ экспериментов:

I. Впервые определены условия наблвдешя и получены С ТЫ изображения фотосинтетических реакционных центров пурпурных бактерий. На изображениях выявлены области локальных структурных изменений при вариации потенциала зондирующего острия. Определено положение уровня Ферми, указывающее на наличие чрезвычайно малой примесной проводимости И -типа //>~1(Г9 Ом_1м-1/» не дающей заметного вклада в туннельный ток. Показано, что туннельный ток обеспечивается инжектированными с зондирующего острия микроскопа электронами, избыточными для белковой цепи.

Впервые разработана методика контролируемого переноса, и осаждения на подложку отдельных биологических молекул и их кластерных образований.

3. Изучена асимметрия атомного изображения поверхностной решетки графита. Показано, что при достаточно большом туннельном промевутке характер зависимости амплитуды атомной гофрировки от напряжения отвечает теоретической зависимости плотности электронных состояний от энергии. Индуцированные электронные состояния, возникающие при малых зазорах игла-поверхность уменьшают амплитуду гофрировки плотности состояний. Предложена модель, в которой аномально большие амплитуды атомной гофрировки объясняются расслаиванием поверхности графита на воздухе.

4. Определена трехмерная форма зародышей островковых пленок А и на монокристалле графита. Из наблюдений миграции кластеров получены оценки свободной энергии активации диффузии на атомарно-гладкой поверхности графита и на краю золотого островка.

5. Методом ста впервые исследована начальная стадия селективного растворения в у?-латуни - опасного вида коррозии. Показано, что выделение медной Фазы на этой стадии определяет-, ся только диффузией атомов Си и может быть замедлено легирующими элементами /Аь 1 ¿л и др/.

6. На пленках Ли исследованы кривые плотности электронных состояний и обратной длины затухания волновой функции электрона в барьере от энергии. Обнаружены поверхностные состояния с энергией £ V = 0,15 эВ. Впервые использована методика определения высоты потенциального барьера из экспериментальной зависимости обратной длины затухания от туннельного

напряжения, не требующая данных о зазоре игла-поверхность и нечувствительная к выбору модели туннелирования. Показано, что влияние сил изображения на.высоту барьера в настоящем эксперименте несущественно.

Практическая ценность. Отработана методика исследования структуры поверхности и электронной структуры с помощью СШ в жидкой и воздушной среде.

Продемонстрирована возможность использования СТМ для контролируемого перемещения отдельных молекул.

Показана возможность замедления коррозии сплавов введением добавок, снижающих подвижность поверхностных атомов.

Создана сверхвысоковакуумная СТМ-установка, работающая при базовом давлении 2»10"^ торр с разрешением по нормали к

О 0

поверхности ~ 0,2 А и по горизонтали ~I А.

Апробация работы. Основные результаты были доложены на:

- Третьем Всесоюзном Совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы". Ленинград 6-8 декабря 1988г.

- У1 Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Звенигород 19-22 апреля 1989г.

- Симпозиуме "Взаимодействие атомных частиц с поверхностью твердого тела". Ташкент 13-15 июня 1989г.

Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 8 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы; Объем ра-

боты составляет 174 стр., включая 44 рисунка, список литературы содержит 133 наименования

Содержание диссертации.

В предисловии обоснована актуальность исследований, сформулирована цель работы и дана структура изложения материала диссертации.

• Первая глава носит обзорный характер и посвящена изложению физических принципов и современного состояния развития сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии поверхности.

В первом параграфе обсудцаются физические основы туннельной микроскопии. Приводятся теоретические оценки пространственного разрешения в сравнении с данными экспериментальных исследований.

Параграф 1.2 посвящен методам измерения локальной работы выхода, или точнее, высоты потенциального барьера, с помощью СТГЛ. Анализируется влияние различных эффектов на результат измерения высоты барьера. Сделан вывод, что измерение величины позволяет прямо получать локальную высоту туннельного -барьера фо для любых величин туннельного зазора 6 несмотря на влияние сил изображения на силу туннельного тока I . Указаны недостатки данного метода, связанные с необходимостью измерения действительного перемещения иглы относительно образца А & в направлении нити тока, что требует учета величины возможной деформации иглы и поверхности и угла их взаимной-ориентации.

В параграфе 1.3 рассмотрены возможности туннельной спектроскопии электронных состояний с помощью СТМ. Изложена про-

цедура вычислений, позволяющая устранить влияние вероятности туннелирования на измерения плотности электронных состояний, а также способ нахождения поверхностного волнового вектора из вольт-амперных кривых, снятых при различных величинах туннельного зазора. Сделан вывод о целесообразности применения в сканирующей туннельной спектроскопии /СТС/ схемы выборки-хранения в петле обратной связи, сохраняющей туннельный зазор постоянным в процессе измерения спектра. При этом исключается влияние на форму спектра зависимости плотности состояний от высоты расположения иглы над поверхностью, устраняется рост проводимости при низких напряжениях, измерения можно сделать менее чувствительными к нестабильности туннельного зазора. ¡Летод позволяет сканировать области поверхности, имеющие энергетическую щель в исследуемом диапазоне напряжений.

Во второй главе проведен расчет разрешающей способности и чувствительности сканирующей туннельной спектроскопии с учетом влияния механических и электрических шумов.

В первом параграфе обоснованы требования к чувствительности и разрешающей способности аппаратуры СТС, обеспечивающие решение задач туннельной спектроскопии металлов и полупроводников: определение местоположения, величины и формы особенностей спектра проводимости

, связанных с зонной структурой и неупругими

эффектами. В параграфе 2.2 проведены вычисления спектра собственных механических шумов СИЛ и вибраций, источником которых являются внешние возмущения. Рассчитаны собственные квантовые и тепловые колебания элементов базовой конструкции СИ: манипулятора точных перемещений, ланипулятора грубых перемещений, а также ступенчатого туннельного зонда, включая колебания его вершины и адатома на конце острия. Вклад квантовых и тепловых флуктуации адатома V/ на конце иглы оценивается значением 0,02 + 2 А

на частотах Ю^ * Ю*^ Гц. Сделан вывод, что в условиях эксперимента эти высокочастотные флуктуации не оказывают существенного влияния на пространственное разрешение, т.к. усредняются за время наблюдения. На низких частотах, где проводятся измерения, преобладающими являются колебания с частотой внешних вибраций и связанные с ними возбуждения на нижней резцнансной частоте. Уменьшить влияние . сильных возмущений пола /~10 мкм/ до величины порядка собственных тепловых колебаний в системе игла-образец можно, если микроскоп тлеет передаточную характеристику \А/(и>) ~ Ю-6 в диапазоне I + 10^ Гц. В работе для достижения требуемой передаточной характеристики применена жесткая конструкция СИ с основной резонансной частотой 2,3 кГц и двухзвенный сейсмический фильтр с резонансами 3 Гц и 5 Гц, обеспечившие при сильных возмущениях вибрации 0,3 А.

Следующий параграф посвящен вопросу преобразования спектра механических шумов СИЛ в шум проводимости туннельного перехода.

В последнем параграфе рассчитаны электрические шумы СТМ, рассмотрено влияние шумов различной природы на достоверность и точность измерения плотности состояний. Показано, что преобладает воздействие механических колебаний. Дробовой шум туннельного контакта и шумовой ток входного усилителя дают соответственно на два и три порядка меньший вклад.в отношение сигнал/шум. Рассчитаны параметры схемы обработки сигнала, обеспечивающие измерение плотности состояний с требуемой точностью.

В главе 3 описана экспериментальная установка. Первый параграф посвящен механической части СТМ, предназначенной для работы в условиях сверхвысокого вакуума. Конструкция состоит из трехкоординатного пьезокерамического манипулятора точных перемещений в виде трипода, пьезокерамического манипулятора грубой подачи образца на электростатических прижимах, кварцевого основания и пружинного сейсмического фильтра.

В параграфах 3.2 и 3.3 дано описание доработанной для целей СТМ сверхвысоковакуумной установки УСУ-4 с базовым давлением 2«10"^ торр и электронной аппаратуры туннельной спектроскопии.

Глава 4 посвящена экспериментальным исследованиям методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. В первом параграфе изложены результаты исследования-фотосинтетических реакционных центров пурпурных бактерий /РЦ/. Фотосинтетические реакционные центры, осуществляющие свето-зависимый трансмембранный перенос электронов в специализированных внутриклеточных структурах бактериальных и растительных организмов , в частности, в хроматофорах и хлоро-

пластах, являются наиболее важными звеньями первичных стадий фотосинтеза, поэтому представляют особый интерес для изучения.

Разработана методика контролируемого переноса и осаждения отдельных биологических молекул и их кластерных образований на подложку.

Определены условия наблюдения и получены СТМ изображения фотосинтетических реакционных центров.

При вариациях туннельного напряжения на изображениях РЦ обнаружены области локальных структурных изменений, причиной которых могут быть каналы проводимости или избыточный диполь-ный момент.

Определено положение уровня Ферми относительно края зоны токовых состояний. Сделан вывод о наличии одновременно двух механизмов электропроводности белков в условиях туннельного эксперимента: примесной проводимости и проводимости инжектированных с иглы электронов. Присутствие примеси определяет положение уровня Ферми относительно края зоны токовых состояний и значение напряжения на игле, при котором открывается новый канал проводимости за счет инжекции избыточных электронов непосредственно в токовые состояния белка. Концентрация термически активируемых электронов Л = Ю^см-^ чрезвычайно мала и обеспечивает величину тока на десять порядков ниже, чем требуется в СТМ эксперименте. Поэтому воспроизводимое изображение реакционных центров наблюдается лишь при возникновении тока избыточных для белковой цепи электронов, инжектированных с иглы.

Во втором параграфе изложены результаты исследования поверхностной решетки высокоориентированного пиролитическо-

го графита. Сделаны следующие выводы. Распределение локальной плотности электронных состояний на уровне Ферми над соседними атомами поверхностной кристаллической структуры имеет вид локальных максимумов, различающихся по величине. Наблюдаемое в ста изображениях искажение шестиугольной атомной структуры может объясняться сдвигом верхнего атомного слоя. Характер зависимости амплитуды атомной гофрировки от напряжения на образце при достаточно большом туннельном промежутке отвечает теоретической зависимости плотности электронных состояний от энергии. Экспериментально показано, что индуцированные иглой электронные состояния, возникающие при малых зазорах игла-поверхность уменьшают амплитуду гофрировки плотности состояний в отличие от предсказаний теоретического расчета в работах Ba^rlEít С С . Предложена модель, объясняющая аномально большие амплитуды гофрировки расслаиванием поверхности графита на воздухе. Проведена продольная калибровка СТМ по решетке графита с точностью 2 %, результаты которой в пределах погрешности измерений совпали с независимой калибровкой, выполненной на емкостном дилатометре.

В параграфе 4.3 рассмотрены процессы образования новых фаз на поверхности твердого тела из объема и газовой среды.

В разделе 4.3.1 методом СТМ изучена морфология поверхности уЗ-латуни Л60 после ее коррозии в течение 5,15 и 30с в деаэрированном растворе 1н 0,01н НС£ .

Сделан вывод, что при первичном селективном растворении /СЕ/ латуни протекают одновременно два процесса - растворение цинка по механизму нестационарной объемной диффузии и

поверхностная диффузия атомов меди, обладающих вследствие СР цинка повышенной активностью, с образованием новой фазы. Только после появления в растворе ионов меди наступает вторичное СР - оса-вдение меди из раствора на возникших ранее зародышах медной фазы. До настоящей работы эксперименты проводились в условиях, когда в растворе уже присутствовали ионы Си.* , а начальное селективное растворение закончилось. СТР.1 позволил обнаружить зародыши меди уже в процессе первичного СР цинка, когда меди в растворе еще нет, т.е. их образование в начальный период связано только с поверхностной диффузией, атомов меди. В дальнейшем эти зародыши являются центрами, на которых идет восстановление ионов Си* , что приводит в итоге к опасному виду коррозии - вторичному СР.

Далее в работе экспериментально показано, что легирование латуни оловом снижает скорость образования медной фазы и уменьшает риск коррозии, в частности, вторичного СР.

В разделе 4.3.2 исследован процесс зарождения пленок золота на графите. Определена трехмерная форма зародышей островковых пленок. Из наблюдений миграции кластеров, содержащих ~ 200 атомов получены оценки свободной энергии активации диффузии Д Рс/<0,7 эВ на атомно гладкой поверхности графита и ¿Ре1 > 0,9 эВ на краю островка. Отсутствие на поверхности графита отдельных кластеров позволяет сделать предположение о механизмах роста островковой пленки. По-видимоьу, миграция атомов и отдельных кластеров на атомно гладкой поверхности графита благодаря их высокой подвижности приводит уже на стадии напыления к образова-

о

нию только крупных островков размером 1000 + 1500 А. Немонотонный профиль островка, состоящего из ряда кластеров, свидетельствует о том, что при комнатной температуре процесс автокоалесценции эффективно протекает лишь до достижения определенного размера кластера. При дальнейшем росте превалирует процесс коагуляции.

Параграф 4.4 посвящен туннельной спектроскопии пленок золота. Получены кривые 1(V) и ^//¿/У от V со средне-квадратическим отклонением измеряемой величины ~ 10 %. Используя экспериментальные данные, вычислены параметры туннельного перехода для модели Симмонса с учетом и без учета сил изображения. Предложен новый метод определения высоты барьера из зависимости обратной длины затухания волновой функции электрона в барьере от напряжения /с(I/) . Метод не требует данных о величине зазора игла-поверхность и нечувствителен к выбору исходной модели туннелирования. Показано, что в настоящем эксперименте не наблюдается значимого влияния сил изображения на высоту барьера. Обнаружены поверхностные состояния с энергией = 0,15 эВ, проявляющиеся на кривых плотности электронных состояний (с/1/с/У от V ) и обратной длины затухания К(У) от напряжения.

- 15 -

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Васильев С.И., Панов В.И., Семенов А.Э. - Исследование атомной структуры графита на сканирующем туннельном микроскопе. - Тезисы докладов Третьего Всесоюзного Совещания "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы". Ленинград, 6-8 декабря 1988г., с.37-38.

2. Алекперов С.Д., Васильев С.И., Кононенко A.A.,Дука-шов Е.П., Панов В.И., Семенов А.Э. Сканирующая туннельная микроскопия фотосинтетических реакционных центров.

ДАН СССР, 1988, 303/2/, 343-344.

3. Алекперов С.Д., Васильев С.И., Панов В.И.«Семенов А.Э. - Исследование фотоактивных белков и островковых пленок на атомно-гладкой поверхности графита с помощью СТМ. - Тезисы докладов У1 Всесоюзного симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Звенигород 19-22 апреля 1989г., с.171.

4. Алекперов С.Д., Васильев С.И., Еловиков С.С., Семенов А.Э., Сушкова Ю.В. - Применение сканирующей туннельной микроскопии для изучения процессов зарождения пленок золота на графите. - Тезисы докладов симпозиума "Взаимодействие атомных частиц с поверхностью твердого тела". Ташкент, 13-15 июня 1989г., с.141.

5. Алекперов С.Д., Васильев С.И., Леонов В.Б., Панов З.И., Семенов А.Э. Исследование асимметрии атомного изображения поверхностной решетки графита методом СТГЛ. ДАН СССР, 1989, 307/5/, II04-II08.

5. Алекперов С.„., Васильев О.'А., Иловиков С.С., Семенов А.Э., Суикова Ю.В. Сканирующая туннельная микроскопия процесса зарождения пленок золота на графите. Поверхность. Физика, хилгия, механика., 1969/9/, 158-160.

7. Алекперов С.Д., Лосев З.В., Пчельников А.П., Семенов А.Э., Тошшюльскпй ¡З.Я., Червяков В.Н. Применение сканирующей туннельной :,31кроскопии для исследования начальной стадии селективного растворения латуней. Защита металлов. , 1989, 25/6/, с.683-887.

8. $.О.Я?есрего\г> 3.1. Нал ¡.//ей-, Л.Д. Копопеп/Ьо, Е.Р.Ьибалкегт,' ]/.Г.Рапогг{ Л £.£е/7}Г/го1Г. ¿салпспд ¿и/г/г г-■{¿пд /ъесгозсару о//эАо/озул/Ае&с геа-с^ол, сем^ггз.

САе™. Шуз- , /229, ^о р.