Сканирующая зондовая микроскопия

Введение

В настоящее время бурно развивается научно-техническое

направление - нанотехнология, охватывающее широкий круг, как

фундаментальных, так и прикладных исследований. Это

принципиально новая технология, способная решать проблемы в

таких разных областях, как связь, биотехнология, микроэлектроника

и энергетика

Прогресс в нанотехнологии стимулировался развитием

экспериментальных методов исследований, наиболее

информативными из которых являются методы сканирующей

зондовой микроскопии, изобретением и в особенности

распространением которых мир обязан нобелевским лауреатам 1986

года – профессору Генриху Рореру и доктору Герду Биннигу.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) – один из мощных

современных методов исследования морфологии и локальных

свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным

разрешением.

В настоящее время практически

ни одно исследование в области физики поверхности и

тонкопленочных технологий не обходится без применения методов

СЗМ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Историческая справка.

В 1931 Р.Руденберг подал патентную заявку на просвечивающий

электронный микроскоп, а в 1932 М.Кнолль и Э.Руска построили

первый такой микроскоп, применив магнитные линзы для

фокусировки электронов. Этот прибор был предшественником

современного оптического просвечивающего электронного

микроскопа (ОПЭМ).

В 1986 году Рорером и Биннигом был изобретен сканирующий

зондовый микроскоп. Принцип действия СТМ настолько прост, а потенциальные возможности так велики, что

невозможно предсказать его воздействие на науку и технику даже

ближайшего будущего.

Как оказалось в дальнейшем, практически любые взаимодействия острийного зонда с поверхностью (механические, магнитные) могут быть преобразованы с помощью соответствующих приборов и компьютерных программ в изображение поверхности .

Установка сканирующего зондового микроскопа состоит из

нескольких функциональных блоков. Это,

во-первых, сам микроскоп с пьезоманипулятором для управления

зондом, преобразователем туннельного тока в напряжение и шаговым

двигателем для подвода образца; блок аналого-цифровых и цифро-

аналоговых преобразователей и высоковольтных усилителей; блок

управления шаговым двигателем; плата с сигнальным процессором,

рассчитывающим сигнал обратной связи; компьютер, собирающий

информацию и обеспечивающий интерфейс с пользователем. В механическую систему входит основание с

пьезоманипулятором и системой плавной подачи образца на шаговом

двигателе с редуктором и две съемные измерительные головки для

работы в режимах сканирующей туннельной и атомно-силовой

микроскопии. Микроскоп позволяет получить устойчивое атомное

разрешение на традиционных тестовых поверхностях без применения

дополнительных сейсмических и акустических фильтров.

 

Принцип работы сканирующих зондовых микроскопов.

В сканирующих зондовых микроскопах исследование

микрорельефа поверхности и ее локальных свойств проводится с

помощью приготовленных специальным образом зондов в виде игл.

Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти

нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью

образцов в зондовых микроскопах по порядку величин составляет

0,1-10 нм. В основе работы зондовых микроскопов лежат различные

типы взаимодействия зонда с поверхностью. Так, работа туннельного

микроскопа основана на явлении протекания туннельного тока между

металлической иглой и проводящим образцом; различные типы

силового взаимодействия лежат в основе работы атомно-силового,

магнитно-силового и электросилового микроскопов.

 

Сканирующие элементы зондовых микроскопов.

Рабочее расстояние зонд - образец контролируется с помощью

специальных манипуляторов - сканирующих элементов (сканеров).

На манипуляторах устанавливаются кантилеверы. Сканирующие

элементы зондовых микроскопов изготавливаются из

пьезоэлектриков - материалов, обладающих пьезоэлектрическими

свойствами. Пьезоэлектрики изменяют свои размеры во внешнем

электрическом поле.

В сканирующей зондовой микроскопии широкое

распространение получили трубчатые пьезоэлементы.

Трубчатые пьезоэлементы представляют собой полые тонкостенные

цилиндры, изготовленные из пьезокерамических материалов.

Электроды в виде тонких слоев металла наносятся на внешнюю и

внутреннюю поверхности трубки, а торцы трубки остаются

непокрытыми. Соединение трех трубок в один узел позволяет

организовать прецизионные перемещения зонда микроскопа в трех

взаимно перпендикулярных направлениях. На

сегодняшний день в сканирующей зондовой микроскопии наиболее

широко используются сканеры, изготовленные на основе одного

трубчатого элемента. Материал трубки имеет радиальное

направление вектора поляризации.

 

Нелинейность пьезокерамики.

Несмотря на ряд технологических преимуществ перед

кристаллами, пьезокерамики обладают некоторыми недостатками,

отрицательно влияющими на работу сканирующих элементов.

Одним из таких недостатков является нелинейность

пьезоэлектрических свойств. Таким образом, деформация пьезокерамики является

сложной функцией внешнего электрического поля.

 

Крип пьезокерамики.

Другим недостатком пьезокерамики является так называемый

крип (creep - ползучесть) - запаздывание реакции на изменение

величины управляющего электрического поля. Крип приводит к тому, что в СЗМ изображениях наблюдаются

геометрические искажения, связанные с этим эффектом.

 

Гистерезис пьезокерамики.

Еще одним недостатком пьезокерамики является

неоднозначность зависимости удлинения от направления изменения

электрического поля (гистерезис). Это приводит к тому, что при одних

и тех же управляющих напряжениях пьезокерамика оказывается в

различных точках траектории в зависимости от направления

движения.

 

Возможности сканирующей зондовой микроскопии

Атомно-силовая микроскопия

В основе работы атомно-силового микроскопа (АСМ) лежит

силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для

регистрации которого используются специальные зондовые

датчики, представляющие собой упругую консоль с острым

зондом на конце. Качественно работу АСМ можно пояснить на примере сил

Ван-дер-Ваальса. Наиболее часто энергию Ван-дер-Ваальсова

взаимо-действия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от

друга, аппроксимируют степенной функцией - потенциалом

Леннарда-Джонса. Методы атомно-силовой микроскопии подразделяют на

контактные квазистатические и бесконтактные колебательные.

В контактных квазистатических методах острие зонда находится

в непосредственном соприкосновении с поверхностью, при этом силы

притяжения и отталкивания, действующие со стороны образца,

уравновешиваются силой упругости консоли. В этом случае

используют кантилеверы с малым коэффициентом жесткости.

При исследовании бесконтактным колебательным методом

поддерживается либо бесконтактный, либо полуконтактный режим

колебаний кантилевера. В первом случае кантилевер совершает

вынужденные колебания порядка 1 нм, а расстояние до поверхности

оценивается по силе Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий с ней. Во

втором случае кантилевер колеблется вблизи резонанса с амплитудой

порядка 10-100 нм.

 

Электросиловая микроскопия.

В электросиловой микроскопии (ЭСМ) для получения инфор-

мации о свойствах поверхности используется электрическое

взаимо-действие между зондом и образцом. С помощью этого метода

можно изучать локальные диэлектрические свойства

приповерхностных слоев образцов. Для получения высокого

разрешения в данной методике необходимо, чтобы электрическая

сила в системе зондовый датчик - образец определялась в основном

взаимодействием между зондом и поверхностью.

 

 

 

 

Магнитно-силовая микроскопия.

Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) представляет собой атомно-силовой микроскоп, у которого зонд покрыт слоем ферромагнитного материала с удельной намагниченностью.

Квазистатические методики МСМ.

МСМ изображение поверхности образцов, имеющих слабо

развитый рельеф поверхности, получают следующим образом. Во

время сканирования зондовый датчик перемещается над образцом

на некотором расстоянии h = const. При этом величина изгиба

кантилевера, регистрируемая оптической системой, записывается в

виде МСМ изображения F(x,y), представляющего собой

распределение силы магнитного взаимодействия зонда с образцом.

 

Колебательные методики МСМ

Применение колебательных методик в магнитно-силовой

микроскопии позволяет реализовать большую (по сравнению с

квазистатическими методиками) чувствительность и получать более

качественные МСМ изображения образцов.

Для получения МСМ изображения поверхности используется

двухпроходная методика.

 

Использование методов СЗМ в исследовании наноструктур и

поверхности твердого тела.

Туннельная микроскопия 2D подложек.

Визуализация атомарной структуры различных поверхностей,

находящихся в атмосфере воздуха ограничена рядом факторов:

неплоскостность поверхности на масштабах области сканирования,

связанная снизким качеством полировки; насыщение поверхностных

состояний молекулами и атомами из воздуха, в частности, наличие

естественного оксида у большинства полупроводников. Вследствие

этого, основными поверхностями, используемыми в туннельной

зондовой микроскопии в качестве подложек-носителей, являются

поверхности высокоориентированного пиролитического графита

(ВОПГ) и тонкие пленки  атомарно гладкого золота.

Графитовая поверхность, получаемая методом скалывания,

также имеет ряд артефактов поверхности, такие как муар, края

атомарных плоскостей и др.

Изучение наноразмерных структур на поверхности

трехмерных макрообъектов.

Для получения достоверной информации о структуре нанообъекта и

его свойствах необходимо выбирать подложку, вносящую

минимальный вклад в геометрию получаемого изображения. Такими

поверхностями являются атомарно гладкие подложки полированного

кремния, сколы слюды и графита.

 

Современные тенденции зондовой нанотехнологии, развития

приборов и методов зондовой микроскопии.

Зондовую нанотехнологию можно определить как

регламентированную последовательность способов и приемов

формирования, модификации и позиционирования элементов

нанометровых размеров, состоящих, в том числе из отдельных

молекул и атомов, на поверхности подложек с помощью острийного

зонда и возможность одновременной их визуализации и контроля.