Методы диагностики наноструктур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф Горбачева»

Институт информационных технологий, машиностроения и автотранспорта

Кафедра технологии машиностроения

РЕФЕРАТ

на тему: «Методы диагностики наноструктур»

Выполнил студент: гр. МТб-121

Худойназаров А. А.

Кемерово 2016

Содержание

Введение

1. Основной метод диагностики наноструктур

2. Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов

3. Сканирующие элементы (сканеры) зондовых микроскопов

4. Сканирующая туннельная микроскопия

5. Атомно-силовая микроскопия

5.1 Контактная атомно-силовая микроскопия

5.2 Колебательные методики АСМ

5.3 Бесконтактный режим колебаний кантилевера АСМ

5.4 "Полуконтактный" режим колебаний кантилевера АСМ

5.5 Наномодификация поверхности с помощью СЗМ

6. Сканирующая (ближнепольная) оптическая микроскопия

7. Магнитно-силовая микроскопия

7.1 Магнитное взаимодействие зонда МСМ с образцом

7.2 Квазистатические методики МСМ

7.3 Колебательные методики МСМ

7.4 Методы получение МСМ изображения при работе кантилевера

Заключение

Список использованных источников

Введение

Данный реферат посвящен теме методов диагностики наноструктур, так как в связи с ускорением научно-технического прогресса обозначенный вопрос становится особо актуальным при исследовании и модификации свойств поверхности, тонкопленочных структур и наноструктур. Появилась необходимость в изучении поверхностей деталей с помощью сканирующей зондовой микроскопии для выполнения этих целей.

Микроскопия, зондовая сканирующая сокр., СЗМ (англ. scanning probe microscopy сокр., SPM) -- область микроскопии, в которой изображение поверхности объекта формируется с помощью зонда, сканирующего его поверхность. Изображение получается путем механического перемещения зонда по траектории в виде растра (строка за строкой) и регистрации взаимодействия между зондом и поверхностью как функции его положения (координат) [6, 7].

Активное развитие сканирующей зондовой микроскопии началось с момента изобретения сканирующего туннельного микроскопа в 1981 г. В настоящее время разрешающая способность для различных видов СЗМ изменяется от субмикронной до атомной. Это в значительной степени обусловлено возможностями пьезоэлектрических двигателей, которые обеспечивают прецизионные перемещения с субнанометровой точностью.

Сканирующие зондовые микроскопы могут регистрировать несколько взаимодействий одновременно. В зависимости от типа взаимодействия, которое используют для построения изображения, различают различные моды (режимы) работы микроскопов.

Существуют следующие основные виды СЗМ:

1) атомная-силовая микроскопия (АСМ) (Atomic Force Microscopy, AFM);

2) магнитно-силовая микроскопия (МСМ) (Magnetic Force Microscopy, MFM);

3) сканирующая ближнеполевая оптическая микроскопия (СБОМ) (Near-Field Scanning Optical Microscopy, NSOM, или Scanning Near-Field Optical Microscopy, SNOM);

4) сканирующая микроскопия напряжения (Scanning Voltage Microscopy, SVM);

5) сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) (Scanning Tunneling Microscopy, STM);

6) фотонная сканирующая туннельная микроскопия (ФСТМ) (Photon Scanning Tunneling Microscopy, PSTM);

Среди этих методов наиболее широко используются атомно-силовая и сканирующая туннельная микроскопия, а также магнитно-силовая и сканирующая ближнеполевая оптическая микроскопия.

Бурное развитие методов СЗМ, таких, как сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ), магнитно-силовая микроскопия (МСМ) и их успешное применение для исследований самых разнообразных объектов обусловлено несколькими аспектами:

1) простота и высокая эффективность СЗМ методик способствовали их широкому распространению во многих областях науки и техники;

2) сканирующие зондовые микроскопы позволяют проводить исследования в широком интервале температур и при различных внешних условиях: на воздухе, в вакууме, в жидких и газообразных средах, в присутствии внешних электромагнитных полей и др., обеспечивая при этом высокое (вплоть до атомарного) пространственное разрешение;

3) зондовая микроскопия предоставляет возможности получения комплексной информации с одного и того же места исследуемого объекта посредством применения различных СЗМ методик;

4) СЗМ обладает высокой сочетаемостью с другими методами исследования механических, оптических, электрических и магнитных свойств твердых тел;

5) с развитием методов СЗМ появились уникальные возможности локального активного воздействия на структуру и свойства исследуемых объектов, что обусловило развитие целого ряда новых направлений в нанотехнологии.

Вместе с тем, при разработке новых СЗМ методик и при исследовании новых объектов часто приходится сталкиваться с решением целого ряда методологических проблем. В качестве наиболее общих и важных проблем можно указать следующие:

1) проблема влияния зонда на структуру и свойства исследуемых образцов, диагностика искажений СЗМ изображений, связанных с таким влиянием, и исключение приборных артефактов из СЗМ изображений;

2) проблема интерпретации результатов СЗМ исследований с учетом особенностей формирования контраста в различных СЗМ методиках и для различных конкретных образцов;

3) метрологические проблемы СЗМ, связанные с получением количественных характеристик свойств исследуемых объектов;

4) установление взаимного соответствия между экспериментальными данными, получаемыми методами СЗМ, и другими методами диагностики свойств твердых тел;

5) развитие новых методик измерений, предоставляющих более адекватную информацию об исследуемых объектах;

6) разработка методов локальной селективной модификации свойств исследуемых образцов.

Вопрос диагностики наноструктур для простоты восприятия был раз-бит на несколько тем, в частности, это принцип работы и сканирующие элементы зондовых микроскопов, рассмотрены несколько основных видов сканирующей зондовой микроскопии.

Первый раздел посвящен истории развития сканирующей зондовой микроскопии.

Во втором разделе рассматривается взаимодействие зонда и исследуемой поверхностью с использованием обратной связи.

В третьем разделе описывается использование сканирующих элементов (сканеров), изготовленных на основе одного трубчатого пьезоэлемента на основе биморфных элементов в качестве сканирующих элементов зондовых микроскопов.

В четвертом разделе рассматривается использование туннельного тока, проходящего между сканирующим зондом и поверхностью детали для получения изображения рельефа поверхности. Также рассмотрены два метода получения СТМ изображения: метод постоянного туннельного тока и постоянной высоты.

В пятом разделе говорится об атомно-силовой микроскопии, в которой получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика, при использовании фототоков или при постоянном значении параметра Z, который показывает расстояние между основанием зондового датчика и поверхностью. Также рассматриваются контактная атомно-силовая микроскопия, бесконтактный режим колебаний и "полуконтактный" режим колебаний кантилевера АСМ, которые позволяют существенно уменьшить механическое воздействие зонда на поверхность в процессе сканирования.

В шестом разделе говорится о сканирующей оптической микроскопии, которая позволяет преодолеть дифракционный порог, при построении изображений рельефа поверхности. В основе работы данного прибора используется явление прохождения света через субволновые диафрагмы. Отличительным элементом ближнепольных приборов является оптический зонд, обычно представляющий собой заостренное оптическое волокно, наружная поверхность которого, за исключением вершины конуса, покрыта непрозрачным слоем металла.

В седьмом разделе рассматривается магнитно-силовая микроскопия, принцип работы которой основан на магнитном взаимодействии зонда с образцом, при этом зонд сделан из магнитного материала. Для получения МСМ изображения образцов с сильно развитым рельефом используется двухпроходная методика. МСМ изображение формируется посредством регистрации изменений амплитуды или фазы колебаний кантилевера.

микроскопия зонд оптический

1. Основной метод диагностики наноструктур

Для детального исследования микро- и наноструктур различной природы существует много разнообразных методов [8]. Микроскопия, как средство получения увеличенного изображения, зародилась еще XV веке, когда впервые были изготовлены простые увеличительные стекла для изучения насекомых. В конце XVII в. Антонио Ван Левенгук изготовил оптический микроскоп, который позволял установить существование отдельных клеток, болезнетворных микробов и бактерий. Уже в 20 веке были разработаны методы микроскопии с помощью электронных и ионных пучков.

Во всех упомянутых методах применяется принцип облучения исследуемого объекта потоком частиц и детектирования результатов взаимодействия пучка частиц с объектом исследования. В сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) использован другой принцип: вместо зондирующих частиц в ней используется твердотельный механический зонд в виде иглы и детектируется результат взаимодействия иглы с поверхностью исследуемого объекта. При этом может использоваться взаимодействие различной природы (механическое, электростатическое, магнитное, электромагнитное). Образно выражаясь можно сказать, что, если в оптическом или электронном микроскопах образец осматривается, то в СЗМ - ощупывается.

Другим важным принципом, отраженным в названии метода СЗМ, является принцип сканирования, т.е. получение не усредненной информации об объекте исследования, а дискретное (от точки к точке, от линии к линии) перемещение зонда и считывание информации в каждой точке.

СЗМ - один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. За последние 10 лет сканирующая зондовая микроскопия превратилась из экзотической методики, доступной лишь ограниченному числу исследовательских групп, в широко распространенный и успешно применяемый инструмент для исследования свойств поверхности. В настоящее время практически ни одно исследование в области физики поверхности и тонкопленочных технологий не обходится без применения методов СЗМ. Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило также основой для развития новых методов в нанотехнологии - технологии создания структур с нанометровыми масштабами.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) - первый из семейства зондовых микроскопов - был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. В своих работах они показали, что это достаточно простой и весьма эффективный способ исследования поверхности с пространственным разрешением вплоть до атомного. Настоящее признание данная методика получила после визуализации атомной структуры поверхности ряда материалов и, в частности, реконструированной поверхности кремния. В 1986 году за создание туннельного микроскопа Г. Биннигу и Г. Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике.

Вслед за туннельным микроскопом в течение короткого времени были созданы атомно-силовой микроскоп (АСМ), магнитно-силовой микроскоп (МСМ), электросиловой микроскоп (ЭСМ), ближнепольный оптический микроскоп (БОМ) и многие другие приборы, имеющие сходные принципы работы и называемые сканирующими зондовыми микроскопами. В настоящее время зондовая микроскопия - это бурно развивающаяся область науки, техники и нанотехнологии.

2. Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов

В сканирующих зондовых микроскопах исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств проводится с помощью специальным образом приготовленных 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. Рассмотрим общие черты, присущие различным зондовым микроскопам. Пусть взаимодействие зонда с поверхностью характеризуется некоторым параметром Р. Если существует достаточно резкая и взаимно однозначная зависимость параметра Р от расстояния зонд - образец Р = Р(z), то данный параметр может быть использован для организации системы обратной связи (ОС), контролирующей расстояние между зондом и образцом. На рисунке 1 схематично показан общий принцип организации обратной связи сканирующего зондового микроскопа.

Система обратной связи поддерживает значение параметра Р постоянным, равным величине Р₀, задаваемой оператором. Если расстояние зонд - поверхность изменяется (например, увеличивается), то происходит изменение (увеличение) параметра Р. В системе ОС формируется разностный сигнал, пропорциональный величине P = P - P₀, который усиливается до нужной величины и подается на исполнительный элемент (ИЭ).

Исполнительный элемент отрабатывает данный разностный сигнал, приближая зонд к поверхности или отодвигая его до тех пор, пока разностный сигнал не станет равным нулю. Таким образом, можно поддерживать расстояние зонд-образец с высокой точностью.

Рис. 1. Схема организации системы обратной связи зондового микроскопа.

В существующих зондовых микроскопах точность удержания расстояния зонд-поверхность достигает величины ~ 0.01 A. При перемещении зонда вдоль поверхности образца происходит изменение параметра взаимодействия Р, обусловленное рельефом поверхности. Система ОС отрабатывает эти изменения, так что при перемещении зонда в плоскости X,Y сигнал на исполнительном элементе оказывается пропорциональным рельефу поверхности.

Для получения СЗМ изображения осуществляют специальным образом организованный процесс сканирования образца. При сканировании зонд вначале движется над образцом вдоль определенной линии (строчная развертка), при этом величина сигнала на исполнительном элементе, пропорциональная рельефу поверхности, записывается в память компьютера. Затем зонд возвращается в исходную точку и переходит на следующую строку сканирования, и процесс повторяется вновь. Записанный таким образом при сканировании сигнал обратной связи обрабатывается компьютером, и затем СЗМ изображение рельефа поверхности Z = f(x,y) строится с помощью средств компьютерной графики. Наряду с исследованием рельефа поверхности, зондовые микроскопы позволяют изучать различные свойства поверхности: механические, электрические, магнитные, оптические и многие другие.

3. Сканирующие элементы (сканеры) зондовых микроскопов

Для работы зондовых микроскопов необходимо контролировать рабочее расстояние зонд-образец и осуществлять перемещения зонда в плоскости образца с точностью до долей нанометра. Эта задача решается с помощью специальных манипуляторов - сканирующих элементов (сканеров). Сканирующие элементы зондовых микроскопов изготавливаются из пьезоэлектриков - материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами.

Работа большинства пьезоэлектрических двигателей, применяемых в современных СЗМ, основана на использовании обратного пьезоэффекта, заключающегося в изменении размеров пьезоматериала под действием электрического поля. Механизм пьезоэффекта можно проследить на простой модели, имитирующей структуру кварца SiO₂ (рис. 2).

Рис. 2. Схема структуры кварца (а) и возникновения обратного пьезоэлектрического эффекта (б).

Положительные ионы кремния в решетке SiO₂ чередуются с отрицательными ионами кислорода. В недеформированной ячейке центры положительных и отрицательных зарядов совпадают (рис. 2 (а)). Если к металлическим электродам, расположенным на противоположных гранях кристалла кварца, приложить внешнее электрическое напряжение так, как указано на рис. 2 (6), то ионы смещаются, приводя к деформации кристаллической решетки.

В сканирующей зондовой микроскопии [2] широкое распространение получили трубчатые пьзоэлементы (рис. 3). Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при относительно небольших управляющих напряжениях. Трубчатые пьезоэлементы представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезокерамических материалов. Обычно электроды в виде тонких слоев металла наносятся на внешнюю и внутреннюю поверхности трубки, а торцы трубки остаются непокрытыми.

Под действием разности потенциалов между внутренним и внешним электродами трубка изменяет свои продольные размеры. В этом случае продольная деформация под действием радиального электрического поля может быть записана в виде:

, (1)

где l₀ - длина трубки в недеформированном состоянии. Абсолютное удлинение пьезотрубки равно

, (2)

где h - толщина стенки трубки, V - разность потенциалов между внутренним и внешним электродами. Таким образом, при одном и том же напряжении V удлинение трубки будет тем больше, чем больше ее длина и чем меньше толщина ее стенки.

На сегодняшний день в сканирующей зондовой микроскопии наиболее широко используются сканеры, изготовленные на основе одного трубчатого элемента. Общий вид трубчатого сканера и схема расположения электродов представлены на рисунках 3 и 4. Материал трубки имеет радиальное направление вектора поляризации

Рис. 3. Трубчатый пьезоэлемент.

Рис. 4. Трубчатый пьезосканер.

Внутренний электрод обычно сплошной. Внешний электрод сканера разделен по образующим цилиндра на четыре секции. При подаче противофазных напряжений на противоположные секции внешнего электрода (относительно внутреннего) происходит сокращение участка трубки в том месте, где направление поля совпадает с направлением поляризации, и удлинение там, где они направлены в противоположные стороны. Это приводит к изгибу трубки в соответствующем направлении. Таким образом осуществляется сканирование в плоскости X,Y. Изменение потенциала внутреннего электрода относительно всех внешних секций приводит к удлинению или сокращению трубки по оси Z.

Таким образом, можно реализовать трехкоординатный сканер на базе одной пьезотрубки. Реальные сканирующие элементы имеют часто более сложную конструкцию, однако принципы их работы остаются неизменными.

Широкое распространение получили также сканеры на основе биморфных пьзоэлементов. Биморф представляет собой две пластины пьезоэлектрика, склеенные между собой таким образом, что вектора поляризации в каждой из них направлены в противоположные стороны (рис. 5). Если подать напряжение на электроды биморфа, то одна из пластин будет расширяться, а другая сжиматься, что приведет к изгибу всего элемента. В реальных конструкциях биморфных элементов создается разность потенциалов между внутренним общим и внешними электродами так, чтобы в одном элементе поле совпадало с направлением вектора поляризации, а в другом было направлено противоположно.

Рис. 5. Устройство биморфного пьезоэлемента.

Изгиб биморфа под действием электрических полей положен в основу работы биморфных пьезосканеров. Объединяя три биморфных элемента в одной конструкции, можно реализовать трипод на биморфных элементах (рис. 6).



Рис. 6. Трехкоординатный сканер на трех биморфных элементах.

4. Сканирующая туннельная микроскопия

Исторически первым в семействе зондовых микроскопов появился сканирующий туннельный микроскоп [3].

Как известно, полная энергия частицы Е представляет собой сумму потенциальной и кинетической энергии. Если потенциальная энергия в некоторой области принимает вид

а полная энергия Е<U₀, то в этом случае говорят, что частица находится в области потенциального барьера. В классической механике частица с такой энергией не может преодолеть барьер и отражается от него. В квантовой механике существует определенная вероятность прохождения частицы через барьер, то есть частица может «туннелировать» сквозь него. Если эта вероятность достаточно большая, тогда говорят, что барьер туннельно-прозрачный.

Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов [1, 4] через узкий зазор, между металлическим зондом и проводящим образцом, во внешнем электрическом поле (рис. 7).

Рис. 7. Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер в туннельном микроскопе.

В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояния в несколько ангстрем. При этом образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер шириной ДZ, высота которого определяется, в основном, значениями работы выхода электронов из материала зонда цP и образца цS. В рамках качественного рассмотрения барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой, равной средней работе выхода материалов:

В случае контакта двух металлов выражение для плотности туннельного тока,

, (3)

где величина j₀(V) считается не зависящей от изменения расстояния зонд-образец.

Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния позволяет осуществлять регулирование расстояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. СТМ представляет собой электромеханическую систему с отрицательной обратной связью. Система обратной связи (рис.8) поддерживает величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне (I₀). Контроль величины туннельного тока, а, следовательно, и расстояния зонд-поверхность осуществляется посредством перемещения зонда вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента.



Рис. 8. Упрощенная схема организации обратной связи по туннельному токy.

Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя методами. По методу постоянного туннельного тока (рис. 9(а)) зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом, изменение напряжения на Z - электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции Z = f(x,y), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности по методу постоянной высоты Z = const. В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (рис. 9(б)). Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени.

Рис. 9. Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния (б).

Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей нанометра. В боковых направлениях разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшое скопление атомов, размеров, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающий над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.

Рис. 10. Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе.

С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до атомного размера, что продемонстрировано многими исследовательскими группами на образцах из различных материалов (рис 11).



Рис. 11. СТМ изображение высоокориентированного пиролитического графита с атомарным разрешением.

5. Атомно-силовая микроскопия

В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце (рис. 12). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью [1].

Рис. 12. Схематическое изображение зондового датчика АСМ.

Качественно, работу АСМ можно пояснить на примере сил Ван-дер-Ваальса. Наиболее часто энергию Ван-дер-Ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, аппроксимируют степенной функцией - потенциалом Леннарда-Джонса (рис.13):

Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее притяжение, обусловленное, в основном, диполь - дипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях. Параметр r₀ - равновесное расстояние между атомами, U₀ - значение энергии в минимуме.

Рис. 13. Качественный вид потенциала Леннарда - Джонса.

Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный характер, однако основные черты данного взаимодействия сохраняются - зонд АСМ испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях и отталкивание на малых. Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В атомно-силовой микроскопии для этой цели широко используются оптические методы (рис. 14).

Рис. 14. Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового датчика АСМ.

Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. В качестве позиционно - чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.

Рис. 15. Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчика и изменением положения пятна засветки на фотодиоде

Основные регистрируемые оптической системой параметры - это деформации изгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (FZ) и деформации кручения консоли под действием латеральных компонент сил (FL) взаимодействия зонда с поверхностью. Если обозначить исходные значения фототока в секциях фотодиода через I₀₁, I₀₂, I₀₃, I₀₄, а через I₁, I₂, I₃, I₄ - значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода &Dela; Ii = Ii - I₀i будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика АСМ. Действительно, разность токов вида



пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца (рис. 15 (а)). А комбинация разностных токов вида

характеризует изгиб консоли под действием латеральных сил (рис. 15 (б)). Величина I_Z используется в качестве входного параметра в петле обратной связи атомно-силового микроскопа (рис. 16). Система обратной связи (ОС) обеспечивает I_Z = const с помощью пьезоэлектрического исполнительного элемента, который поддерживает изгиб консоли ДZ, равным величине ДZ₀.

Рис. 16. Упрощенная схема организации обратной связи в атомно-силовом микроскопе.

При сканировании образца в режиме Z = const. зонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z= f(x,y). Пространственное разрешение АСМ определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонения консоли. В настоящее время реализованы конструкции АСМ, позволяющие получать атомарное разрешение при исследовании поверхности образцов.

5.1 Контактная атомно-силовая микроскопия

Условно методы получения информации о рельефе и свойствах поверхности с помощью АСМ можно разбить на две большие группы - контактные квазистатические и бесконтактные колебательные. В контактных квазистатических методиках остриё зонда находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью, при этом силы притяжения и отталкивания, действующие со стороны образца, уравновешиваются силой упругости консоли. При работе АСМ в таких режимах используются кантилеверы с относительно малыми коэффициентами жесткости, что позволяет обеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерного воздействия зонда на образец.

В квазистатическом режиме АСМ изображение рельефа исследуемой поверхности формируется либо при постоянной силе взаимодействия зонда с поверхностью (сила притяжения или отталкивания), либо при постоянном среднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью образца. При сканировании образца в режиме F_Z = const система обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера, а, следовательно, и силу взаимодействия зонда с образцом (рис. 17). При этом управляющее напряжение в петле обратной связи, подающееся на Z-электрод сканера, будет пропорционально рельефу поверхности образца.



Рис. 17. Формирование АСМ изображения при постоянной силе взаимодействия зонда с образцом.

Рис. 18. Формирование АСМ изображения при постоянном расстоянии между зондовым датчиком и образцом.

При исследовании образцов с малыми (порядка единиц ангстрем) перепадами высот рельефа часто применяется режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью (Z = const). В этом случае зондовый датчик движется на некоторой средней высоте Z_ср над образцом (рис. 18), при этом в каждой точке регистрируется изгиб консоли ДZ, пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности. АСМ изображение в этом случае характеризует пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.

Недостаток контактных АСМ методик - непосредственное механическое взаимодействие зонда с поверхностью. Это часто приводит к поломке зондов и разрушению поверхности образцов в процессе сканирования. Кроме того, контактные методики практически не пригодны для исследования образцов, обладающих малой механической жесткостью, таких как структуры на основе органических материалов и биологические объекты.

5.2 Колебательные методики АСМ

Для исследования структуры на основе органических материалов и биологических объектов применяются колебательные АСМ методики, основанные на регистрации параметров взаимодействия колеблющегося кантилевера с поверхностью. Данные методики позволят существенно уменьшить механическое воздействие зонда на поверхность в процессе сканирования. Кроме того, развитие колебательных методик существенно расширило арсенал возможностей АСМ по измерению различных свойств поверхности образцов. При работе АСМ в таких режимах используются кантилеверы с высокими коэффициентами жесткости, что позволяет обеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерного воздействия зонда на образец. В зависимости от объекта исследования выбирают кантилевер с большей или меньшей жесткостью.

Однако, в случае колебательной методики, система становится сверхчувствительна к внешним источникам вибраций. Чтобы исключить влияние посторонних источников, используют пассивную и активную антивибрационную защиту.

5.3 Бесконтактный режим колебаний кантилевера АСМ

В бесконтактном режиме кантилевер совершает вынужденные колебания с малой амплитудой порядка 1 нм. При приближении зонда к поверхности на кантилевер начинает действовать дополнительная сила со стороны образца. При Ван-дер-Ваальсовом взаимодействии это соответствует области расстояний между зондом и образцом, где действует сила притяжения. Таким образом, наличие силы взаимодействия зонда с поверхностью образца приводит к дополнительному сдвигу АЧХ и ФЧХ системы (рис 19).

Амплитудно-частотная характеристика системы:

Фазово-частотная характеристика системы:

Рис. 19. Изменение АЧХ и ФЧХ кантилевера под действием силы.

5.4 "Полуконтактный" режим колебаний кантилевера АСМ

Регистрация изменения амплитуды и фазы колебаний кантилевера в бесконтактном режиме требует высокой чувствительности и устойчивости работы обратной связи. На практике чаще используется так называемый "полуконтактный" режим колебаний кантилевера (иногда его называют прерывисто-контактный, а в иностранной литературе - "intermittent contact" или "tapping mode" режимы). При работе в этом режиме возбуждаются вынужденные колебания кантилевера вблизи резонанса с амплитудой порядка 10 - 100 нм. Кантилевер подводится к поверхности так, чтобы в нижнем полупериоде колебаний происходило касание поверхности образца (это соответствует области отталкивания на графике зависимости силы от расстояния (рис. 20)).

Рис. 20. Выбор рабочей точки при "полуконтактном" режиме колебаний кантилевера.

При сканировании образца регистрируется изменение амплитуды и фазы колебаний кантилевера. Взаимодействие кантилевера с поверхностью в "полуконтактном" режиме состоит из ван-дер-ваальсового взаимодействия, к которому в момент касания добавляется упругая сила, действующая на кантилевер со стороны поверхности.

Характерные особенности данного режима сходны с особенностями бесконтактного режима - амплитуда и фаза колебаний кантилевера зависят от степени взаимодействия поверхности и зонда в нижней точке колебаний кантилевера. Поскольку в нижней точке колебаний зонд механически взаимодействует с поверхностью, то на изменение амплитуды и фазы колебаний кантилевера в этом режиме существенное влияние оказывает локальная жесткость поверхности образцов.

Формирование АСМ изображения поверхности в режиме колебаний кантилевера происходит следующим образом. С помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте, близкой к резонансной частоте кантилевера, с амплитудой А. При сканировании система обратной связи АСМ поддерживает постоянной амплитуду колебаний кантилевера на уровне A₀ . Напряжение в петле обратной связи (на z-электроде сканера) записывается в память компьютера в качестве АСМ изображения рельефа поверхности.

5.5 Наномодификация поверхности с помощью СЗМ

При СЗМ-диагностике стремятся минимизировать величину взаимодействия между нанозондом и образцом для того, чтобы исключить повреждение или разрушение исследуемого образца. Вместе с тем, в нанотехнологии стоят задачи создания на поверхности наноструктур с заданной топологией и свойствами. Решить такие задачи можно путем перевода СЗМ из режима диагностики в режим модификации, увеличив величину взаимодействия между зондом и образцом в десятки и сотни раз. Воздействовать на поверхность образцов можно большим механическим давлением, высокими электрическими полями, потоками электронов или фотонов с высокой плотностью. При раздельном или одновременном действии этих факторов в области наноконтакта инициируется разнообразный спектр физико-химических процессов (пластическая деформация, диффузия, термодиффузия, поляризация, полевое испарение, окисление и т.п.), приводящих к локальной модификации структуры и физико-химических свойств материалов.

6. Сканирующая (ближнепольная) оптическая микроскопия

Традиционные методы получения оптических изображений объектов имеют существенные ограничения, связанные с дифракцией света. Одним из основополагающих законов оптики является существование так называемого дифракционного предела, который устанавливает минимальный размер (R) объекта, изображение которого может быть построено оптической системой при использовании света с длиной волны л:

, (4)

где n - показатель преломления среды. Для оптического диапазона длин волн предельный размер составляет величину порядка 200ч300 нм. В ближнепольной оптической микроскопии используются другие принципы построения изображения объекта, которые позволяют преодолеть трудности, связанные с дифракцией света, и реализовать пространственное разрешение на уровне 10 нм и лучше.

В основе работы данного прибора используется явление прохождения света через субволновые диафрагмы (отверстия с диаметром много меньше длины волны падающего излучения)

С физической точки зрения Ближнепольная Сканирующая Оптическая Микроскопия (БСОМ) основана на присутствии в дальней зоне излучения вполне идентифицируемых следов взаимодействия света с микрообъектом, находящимся в ближнем световом поле, которое локализовано на расстояниях много меньших длины волны. В техническом смысле БСОМ сочетает элементы обычной оптики и сканирующей зондовой микроскопии. Отличительным элементом ближнепольных приборов является оптический зонд (рисунок 14), обычно представляющий собой заостренное оптическое волокно, наружная поверхность которого, за исключением вершины конуса, покрыта непрозрачным слоем металла.

Рис. 21. Схема волоконно-оптического ближнепольного зонда: 1 - заострённое оптическое волокно; 2 - металлическое покрытие; 3 - проходящее через зонд излучение; 4 - выходная апертура зонда, d<<л; 5 - поверхность исследуемого образца и расстояние до зонда, h<<л. Штрихами очерчена область ближнепольного контакта.

При сканировании зонд собирает оптическую информацию с поверхности образца с разрешением равным диаметру апертуры.

На практике используются несколько конструктивных схем ближнепольного оптического микроскопа. Основные конфигурации БОМ показаны схематично на рисунке 22. Наиболее часто реализуется схема, в которой оптическое излучение лазера локализуется в пространстве с помощью волоконного зонда. Такая схема позволяет получить максимальную мощность излучения в области субволнового отверстия и проводить исследование образцов как на отражение (рисунок 22 а)), так и на просвет (рисунок 22 (б)). Для увеличения чувствительности излучение, отраженное от образца или прошедшее сквозь образец, собирается на фотоприемнике с помощью фокусирующего зеркала или линзы. Кроме того, данная конфигурация БОМ широко используется в экспериментах по ближнепольной оптической литографии.

В экспериментах, когда требуются высокие уровни оптической накачки (как, например, при исследовании локальных нелинейных свойств образцов), реализуется схема, в которой мощное лазерное излучение направляется на исследуемую структуру, а прием осуществляется с помощью ближнепольного зонда.

Рис. 22. Возможные конфигурации ближнепольного оптического микроскопа.

7. Магнитно-силовая микроскопия

Принцип работы магнитно-силового микроскопа (МСМ) основан на магнитном взаимодействии зонда с образцом. По существу МСМ представляет собой атомно-силовой микроскоп, у которого зонд сделан из магнитного материала. Сила, действующая на такой зонд в магнитном поле в пространстве над образцом, приводит к изгибу консоли. Таким образом, регистрируя величину изгиба консоли, можно контролировать силу магнитного взаимодействия зонда с образцом. В настоящее время МСМ является одним из основных инструментов для изучения распределения намагниченности в магнитных структурах с пространственным разрешением вплоть до 10 нм [9].

7.1 Магнитное взаимодействие зонда МСМ с образцом

Магнитные силы являются дальнодействующими, поэтому в силовом взаимодействии участвует достаточно большое число атомов зонда и образца, расположенных не только на их поверхности, но и в более глубоких слоях.

7.2 Квазистатические методики МСМ

МСМ изображение образцов, имеющих слабо развитый рельеф поверхности, получают следующим образом. Во время сканирования зондовый датчик перемещается над образцом на некотором расстоянии h=const при отключенной обратной связи. При этом величина изгиба кантилевера, регистрируемая оптической системой, записывается в виде функции F(x,y), представляющей собой распределение силы магнитного взаимодействия зонда с образцом.

Однако, если образец имеет сильно развитый рельеф, то сканирование при h=const может приводить к тому, что на выступающих неровностях поверхности, кроме магнитной силы, на зонд будут действовать также Ван-дер-ваальсовские и капиллярные силы, которые на расстояниях z₀=1-10 нм значительно превышают магнитные. Это приводит к усложнению интерпретации получаемых изображений. Поэтому для образцов с сильно развитым рельефом поверхности применяется двухпроходная методика. В каждой строке сканирования производится следующая процедура. На первом проходе снимается АСМ изображение рельефа в контактном режиме. Затем зондовый датчик отводится от z₀, и осуществляется повторное поверхности на некоторое расстояние сканирование. Расстояние z₀ выбирается таким образом, чтобы сила Ван-дер-Ваальса была меньше силы магнитного взаимодействия.

На втором проходе датчик перемещается над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца. Поскольку в этом случае локальное расстояние между зондовым датчиком и поверхностью в каждой точке постоянно, изменения величины изгиба кантилевера в процессе сканирования связаны с неоднородностью магнитных сил, действующих на зонд со стороны образца. Таким образом, итоговый МСМ кадр представляет собой двумерную функцию F(x,y), характеризующую распределение силы магнитного взаимодействия зонда с образцом.

7.3 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. С помощью встроенного пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте вблизи его резонанса. При перемещении зондового датчика вдоль исследуемой поверхности регистрируются изменения параметров колебаний, вызванные магнитным взаимодействием с образцом.

7.4 Методы получения МСМ изображения при работе кантилевера

МСМ изображения при работе кантилевера в колебательном режиме формируются также двумя методами. Первый - это метод постоянной высоты (constant height mode). Он применяется для исследования структур со слабо выраженным рельефом поверхности. При сканировании зондовый датчик движется над поверхностью на некоторой высоте h = const, при этом регистрируется изменение амплитуды или фазы колебаний кантилевера.

Для получения МСМ изображения образцов с сильно развитым рельефом используется двухпроходная методика (tapping/lift mode). В каждой строке сканирования на первом проходе в "полуконтактном" режиме записывается рельеф поверхности. На втором проходе зондовый датчик движется над образцом по траектории, соответствующей рельефу, так, что расстояние между датчиком и поверхностью в каждой точке равно величине z₀ = const, определяемой оператором.

МСМ изображение формируется посредством регистрации изменений амплитуды или фазы колебаний кантилевера. Таким образом, при построчном сканировании из профилей, полученных при первом проходе, формируется изображение рельефа поверхности, а из профилей, полученных на втором проходе - магнитный контраст от этого же участка поверхности. Однако полностью скомпенсировать влияние рельефа образца не удается. Вследствие конечных размеров рабочей части зонда регистрируемый при первом проходе АСМ профиль поверхности отличается от реального рельефа. Это приводит к некоторым артефактам на МСМ изображениях (так, например, на МСМ изображениях однодоменных наночастиц появляются характерные ореолы, обусловленные неполной компенсацией вклада от рельефа поверхности).

В заключение обзора методов СЗМ несколько слов о магнитно-силовой микроскопии. Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) - это прибор для исследования локальных магнитных свойств образцов. Представляет собой атомно-силовой микроскоп, у которого зонд покрыт слоем ферромагнитного материала.

Для получения МСМ изображений образцов применяются квазистатические и колебательные методики.

Итоговый МСМ кадр представляет собой двумерную функцию F(x,y), характеризующую распределение силы магнитного взаимодействия зонда с образцом.

Для получения МСМ изображения поверхности используется двухпроходная методика. С помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте щ вблизи резонанса. На первом проходе в "полуконтактном" режиме записывается рельеф поверхности. На втором проходе зондовый датчик движется над образцом по траектории, соответствующей рельефу, так, что расстояние между ним и поверхностью в каждой точке равно величине z₀ = const, определяемой оператором.

МСМ изображение формируется посредством регистрации изменений амплитуды или фазы колебаний кантилевера.

В качестве примера на рисунке 23 представлены МСМ изображения поверхности магнитного диска, полученные с помощью различных методик.

Контраст на МСМ изображениях связан, в конечном итоге, с распределением намагниченности

При моделировании МСМ изображений, получаемых в квазистатических методиках, в каждой точке траектории зонда при сканировании рассчитывается Z-компонента силы взаимодействия зонда с поверхностью:

При моделировании колебательных методик в каждой точке траектории зонда рассчитывается Z-компонента градиента магнитных сил, действующих на зонд со стороны образца.



(в) (г)

Рис. 23. МСМ изображения поверхности магнитного диска. (а) - АСМ изображение рельефа поверхности; (б) - МСМ изображение фазового контраста; (в) - МСМ изображение амплитудного контраста; (г) - МСМ изображение распределения силы взаимодействия зонда с поверхностью, полученное по квазистатической методике при h = const.

Наиболее просто МСМ изображения моделируются в случаях, когда магнитное поле образца может быть описано аналитической функцией. В более сложных ситуациях приходится применять численные методы и формализм Брауна. Согласно этому подходу, для расчета силового взаимодействия магнитные области зонда и образца разбиваются на физически малые объёмы с однородной намагниченностью. Каждый из таких объемов аппроксимируется одиночным магнитным диполем, имеющим магнитный момент, равный по величине остаточной намагниченности материала.

Иная ситуация в случае зондов, имеющих на кончике однодоменную наночастицу.

В этом случае эффективный объем зонда определяется объемом наночастицы, так что можно рассчитать абсолютное значение магнитного момента такого зонда.

Для нахождения распределения намагниченности образца (и зонда) широко используются численные микромагнитные расчеты, основанные на поиске квазистационарного распределения направлений локальных магнитных моментов, соответствующего минимуму свободной энергии системы. При этом объем магнитного образца разбивается на физически малые ячейки с однородной j-ой ячейки намагниченностью. Намагниченность внутри каждой аппроксимируется точечным магнитным диполем.

В последнее время большую популярность приобрел программный комплекс OOMMF (Object Oriented Micromagnetic Framework), широко используемый для расчета структур намагниченности ферромагнитных микро- и наноструктур.

Во многих случаях компьютерное моделирование дает хорошее совпадение рассчитанных и экспериментальных МСМ изображений, что является свидетельством адекватности представлений о структуре намагниченности, полученных с помощью магнитно-силовой микроскопии.

Заключение

В данном реферате были рассмотрены основные методы нанодиагностики, такие как атомно-силовая, сканирующая туннельная микроскопия, а также магнитно-силовая и сканирующая ближнеполевая оптическая микроскопия. Все они схожи тем, что для сканирования поверхности используется твердотельный механический зонд в виде иглы и детектируется результат взаимодействия иглы с поверхностью исследуемого объекта. При этом может использоваться взаимодействие различной природы (механическое, электростатическое, магнитное, электромагнитное). Образно выражаясь можно сказать, что, если в оптическом или электронном микроскопах образец осматривается, то в СЗМ - ощупывается.

Для контроля расстояния между зондом и поверхностью образца используется принцип организации обратной связи сканирующего зондового микроскопа. Под действием дополнительной силы со стороны образца (Ван-дер-Ваальсовые силы) это расстояние между зондом и образцом может изменяться.

Наиболее перспективным из перечисленных методов сканирующей микроскопии является магнитно-силовая микроскопия, которая позволяет реализовать большую (по сравнению с квазистатическими методиками) чувствительность и получать более качественные МСМ изображения образцов. Основными преимуществами методов сканирующей зондовой микроскопии являются:

1) высокая локальность, которая определяется взаимодействием зонда и поверхности;

2) возможность использования зонда для модификации поверхности объекта;

3) возможность использования не только в вакууме, но и на воздухе и в жидкой среде.

Основными недостатками СЗМ являются:

1) сильная зависимость результатов от формы и природы зонда;

2) низкая скорость, обусловленная механической системой сканирования;

3) искажения латеральных расстояний и углов, что связано с температурным дрейфом, нелинейностью функционирования пьезокерамики и тем фактом, что данные от различных участков растра получены в разные моменты времени.

В настоящее время сканирующие зондовые микроскопы нашли применение практически во всех областях науки. В физике, химии, биологии используют в качестве инструмента исследования СЗМ. В частности, такие междисциплинарные науки как материаловедение, биохимия, фармацевтика, нанотехнологии, физика и химия поверхности, электрохимия, исследование коррозии, электроника (например, МЭМС), фотохимия и многие другие. Перспективным направлением считается совмещение сканирующих зондовых микроскопов с другими традиционными и современными методами исследованиями, а также создание принципиально новых приборов. Например, совмещение СЗМ с оптическими микроскопами (традиционными и конфокальными микроскопами), электронными микроскопами, спектрометрами (например, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресцентными), ультрамикротомами.

Если первые сканирующие зондовые микроскопы были приборами-индикаторами для качественных исследований, то современный сканирующий зондовый микроскоп - это прибор, интегрирующий в себе до 50 различных методик исследования. Он способен осуществлять заданные перемещения в системе зонд-образец с точностью до 0,1%, рассчитывать форм-фактор зонда, производить прецизионные измерения достаточно больших размеров (до 200 мкм в плоскости сканирования и 15 - 20 мкм по высоте) и, при этом, обеспечивать субмолекулярное разрешение.