АСМ - атомно-силова мікроскопія

29

Зміст

Вступ

Розділ 1. Фізичні основи АСМ

1.1 Атомно-силова мікроскопія

1.2 Зондові датчики АСМ

1.3 Технологія виготовлення зондових датчиків АСМ

Розділ 2. Особливості застосування АСМ до нанообєктів

2.1 Контактна АСМ

2.2 Система керування АСМ при роботі кантилевера в контактному режимі

2.3 Коливальні методики АСМ

2.4 Безконтактний режим коливань кантилевера АСМ

2.5 "Напівконтактний" режим коливань кантилевера АСМ

Висновок

Література

Вступ

Історично, першими приладами, здатними, певною мірою, відобразити форму поверхні досліджуваного зразка були профілометри. При взаємному переміщенні зонда і зразка вздовж вибраного напряму на реєструючий устрій виводиться інформація про вертикальне переміщення зонда у відповідній точці поверхні. Сучасні профілометри мають вертикальний дозвіл близько 1 нм і латеральне - близько 100 нм. Власне кажучи, в скануючому зондовому мікроскопі (СЗМ) реалізований той же принцип: всякий СЗМ складається з твердотілого зонда, системи прецизійного трьохкоординатного переміщення (сканера), системи детектування, системи зворотного зв'язку, модуля обробки і відображення даданих , системи вібро- і шумоізоляції .

Ідея створення СЗМ була запропонована Расселом Янгом у 1966 р. і реалізована його групою в 1971. У цьому приладі, що став прообразом скануючого тунельного мікроскопа, було реалізоване контрольоване із субнанометровою точністю переміщення зонда щодо зразка , що дозволяло реєструвати моноатомні ростові ступені рівні .

Початком другого етапу в розвитку СЗМ вважають лічать роботи співробітників Швейцарського представництва фірми «IBM» Г. Біннінга і X. Рорера. У 1982 р. вони продемонстрували атомарне зображення реальної поверхні кремнію, одержане в розробленому ними скануючому тунельному мікроскопі (СТМ). При вимірюваннях вимірах на СТМ провідна поверхня зразка сканується ультрагострим металевим зондом за допомогою п'єзоелектричного приводу. Оскільки тунельний струм експоненціально зменшується при збільшенні відстані тунелювання , то він виникатиме тільки між крайнім атомом на вістрі зонда і поверхнею. Контролюючи субангстремні переміщення зонда і величину тунельного струму, можна проводити картографування поверхні з атомарним дозволом.

Геніальність робіт Г. Біннінга і X. Рорера полягає в усвідомленні можливості отримання атомарного дозволу за допомогою твердотільного твердотілого зонда. Дана технологія виявилася революційною в розвитку досліджень властивостей поверхонь і в 1986 р. вони були удостоєні Нобелівській премії. У цьому ж році Біннінг, Гербер і Вєїбел опублікували работу, в якій були виміряні сили взаємодії між гострим зондом і поверхнею за допомогою мікроконсолі (кантилевера ). Скануючий зонд знаходився на кінці кантилевера, а величина прогину останнього контролювалася тунельним зондом, поміщеним над ним. Цей тип мікроскопів вони назвали атомно-силовими. Контролюючи силу взаємодії (а не тунельний струм, як в СТМ), можна проводити картографування поверхні з атомарним дозволом зразків будь-якого типа (провідних, непровідних, органічних речовин, живих клітин і т. д) і за різних умов - у вакуумі, на повітрі або в рідкому середовищі.

Ідеї і інженерно-конструкторські рішення, запропоновані Біннінгом і Рорером, істотно спрощували апаратну реалізацію СЗМ , що дозволило вже в 1990 р. почати серійний випуск АСМ для широкого використання. Таким СЗМ став NanoScope II американської фірми Digital Instruments, мікроскопи якої зараз є загальновизнаним стандартом, а останні розробки - NanoScope IV, відкривають справді величезні можливості перед дослідниками. Менш ніж за 20 років свого існування зондові наноскопічні установки з із комп'ютерним управлінням і аналізом даних стали доступним лабораторним інструментом, а силова зондова мікроскопія розвинулася в самостійну передову область науки і техніки.

Розділ 1. Фізичні основи АСМ

1.1 Атомно-силова мікроскопія

Атомно-силовий мікроскоп (АСМ ) винайдений в 1986 році Гердом Біннігом, Келвіном Куейтом і Крістофером Гербером. В основі роботи АСМ лежить силова взаємодія між зондом і поверхнею, для реєстрації якого використовуються спеціальні зондові датчики, - пружна консоль з гострим зондом на кінці (Рис. 1). Сила, що діє на зонд з боку поверхні, приводить до вигину консолі. Реєструючи величину вигину, можна контролювати силу взаємодії зонда з поверхнею.

Рис. 1. Схематичне зображення зондового датчика АСМ

Якісно роботу ACM можна пояснити на прикладі сил Ван-дер-Ваальса. Найчастіше енергію Ван-дер-ваальсової взаємодії двох атомів, що знаходяться на відстані k, один від одного, апроксимують степеневою функцією - потенціалом Леннарда- Джонса:

(1.1)

Перший доданок в даному виразі описує дальньодіюче притягання, обумовлене, в основному, диполь-дипольною взаємодією атомів. Другий доданок враховує відштовхування атомів на Рисих відстанях. Параметр k₀ -- рівноважна відстань між атомами, U₀ - значення енергії в мінімумі.

Рис. 2. Потенціала Леннара-Джонсона

Потенціал Леннарда-Джонса дозволяє оцінити силу взаємодії зонда із зразком. Спільну Енергію системи можна одержати, підсумовуючи елементарні взаємодії для кожного з атомів зонда і зразка.

Тоді для енергії взаємодії:

(1.2),

де n_S(r) i n_P(rґ) - густини атомів в матеріалі зразка і зонда. Відповідно сила, що діє на зонд зі сторони поверхні, може бути розрахована наступним чином:

(1.3).

У загальному випадку дана сила має як нормальну до поверхні, так і латеральну (що лежить в площині поверхні зразка) складові. Реальна взаємодія зонда із зразком має складніший характер, проте основні риси даної взаємодії зберігаються - зонд АСМ відчуває тяжіння з боку зразка на великих відстанях і відштовхування на малих.



29

Рис. 3. До розрахунку енергії взаімодії зонда и зразка

Одержання АСМ зображень рельєфу поверхні пов'язане з реєстрацією малих деформацій пружної консолі зондового датчика. У АСМ для цього використовують оптичні методи (Рис. 4).

29

Рис. 4. Схема оптичної реєстрації вигину консолі зондового датчика АСМ, (1)-(4) - точки реєстрації струмів фотодіода

Оптична система АСМ юстирується так, щоб випромінювання напівпровідникового лазера фокусувалося на консолі зондового датчика,а відбитий пучок потрапляв в центр фоточутливої області фотоприймача. Як позиційно - чутливий фотоприймач, застосовують чотирьохсекційні напівпровідникові фотодіоди.

Основні реєстровані оптичною системою параметри - це деформації консолі під дією Z-компонент сил тяжіння або відштовхування (F_Z) і деформації кручення консолі під дією латеральних компонент сил (F_L) взаємодії зонда з поверхнею. Якщо позначити початкові значення фотоструму в секціях фотодіода через I₀₁, I₀₂, I₀₃, I₀₄, а через I₁, I₂, I₃, I₄ - значення струмів після зміни положення консолі, то різні струми з різних секцій фотодіода ?І₁ = І₁ - І₀₁ однозначно характеризуватимуть величину і напрям вигину консолі зондового датчика АСМ. Дійсно, різниця струмів

пропорційна вигину консолі під дією сили, що діє по норРисі до поверхні зразка (Рис. 5 а).

Рис. 5. Відповідність між типом деформацій консолі зондового датчика і зміною положення плями засвічення на фотодіоді

А комбінація різницевих струмів вигляду

характеризує вигин консолі під дією латеральних сил (Рис. 5 (б)).

Величина ?I_z використовується як вхідний параметр в петлі зворотного зв'язку атомно-силового мікроскопа (Рис. 6). Система зворотного зв'язку (ЗЗ) забезпечує ?I_z = const за допомогою п'єзоелектричного виконавчого елементу, який підтримує вигин консолі ?Z рівним величині ?Z₀, що задається оператором.

Просторова роздільна здатність АСМ визначається радіусом закруглення зонда і чутливістю системи. В даний час реалізовані конструкції АСМ, що дозволяють отримувати спостерігати окремі атоми при дослідженні поверхні зразків.

Рис. 6. Спрощена схема організації зворотного зв'язку в АСМ

1.2 Зондові датчики АСМ

Зондування поверхні в атомно-силовому мікроскопі проводиться, за допомогою спеціальних зондових датчиків, що є пружною консоллю -кантилевер (cantilever) з гострим зондом на кінці (Рис. 7). Датчики виготовляються методами фотолітографії і та послідуючим травленням. Пружні консолі формуються, в основному, із тонких шарів легованого кремнію S_іO₂ або S_i3N₄.

Один кінець кантилевера жорстко закріплений на кремнієвій підставі-утримачі. На іншому - розташовується власне зонд у вигляді гострої голки. Радіус закруглення сучасних АСМ зондів складає 1-50 нм залежно від типу зондів і технології їх виготовлення. Кут при вершині зонда - 10-20⁰. Силу взаємодії зонда з поверхнею F можна оцінити таким чином:

(1.4)

де k -- жорсткість кантилевера; ?Z - величина, що характеризує його вигин. Коефіцієнти жорсткості кантилеверів k варіюються в діапазоні 10^-3-10 Н/м залежно від використовуваних при їх виготовленні матеріалів і геометричних розмірів. При роботі зондових АСМ датчиків в коливальних режимах важливі резонансні властивості кантилеверів.



Рис. 7. Схематичне зображення зондового датчика АСМ

Власні частоти вигинистих коливань консолі прямокутного перетину визначаються наступною формулою:

(1.5),

де l - довжина консолі; Е - модуль Юнга; J -- момент інерції перетину консолі; с - густина матеріалу; S - площа поперечного перетину; л₁ чисельний коефіцієнт (у діапазоні 1-100), що залежить від моди коливань.

Рис. 8. Основні моди коливань консолі

В АСМ застосовують, в основному, зондові датчики двох типів - з кантилевером у вигляді балки прямокутного перетину і з трикутним кантилевером, утвореним двома балками. Загальний вид і габарити зондових датчиків з прямокутною консоллю представлені на Рис. 9.

Рис. 9. Електронно-мікроскопічне зображення АСМ зонда, розташованого на прямокутній консолі

Іноді зондові датчики АСМ мають декілька кантилеверів різної довжини (а значить, і різної жорсткості) на одній основі. В цьому випадку вибір робочої консолі здійснюється відповідним юстируванням оптичної системи атомно-силового мікроскопа.

Зондові датчики з трикутним кантилевером мають при тих же розмірах велику жорсткість і, отже, вищі резонансні частоти. Найчастіше вони застосовуються в коливальних АСМ методиках.

Виготовлення зондовых датчиків для АСМ являє собою досить складний технологічний процес, що включає в себе операції фотолітографії, іонної імплантації, хімічного й плазменного травлення.

1.3 Технологія виготовлення зондових датчиків АСМ

Для виготовлення зондових датчиків використаються пластини кристалічного кремнію Si (110). На поверхню пластини насаджується тонкий шар фоторезисту (Рис. 11, етап 2). Потім фоторезист експонується через фотошаблон, і частина фоторезисту віддаляється за допомогою хімічного травлення. Далі проводиться імплантація іонів бора, так що іони проникають на глибину порядку 10 мкм в область кремнію, не захищену фоторезистом (етап 3). Після цього фоторезист змивається в спеціальному травітелі, і потім проводиться термічний віджиг пластини, в результаті якого атоми бора вбудовуються в кристалічну решітку кремнію. Кремній, легований бором, утворить так званий стоп-шар, що зупиняє процес травлення для деяких селективних травлень. Потім на звороті пластини знову проводиться фотолітографія, в результаті якої формується шар фоторезисту точно над областю, імплантованої бором. Після цього пластина покривається тонким шаром Si₃N₄ (етап 4). Потім проводиться селективне травлення фоторезисту, причому в процесі розчинення фоторезист набухає і зриває розташовану безпосередньо над ним тонку плівку Si₃N₄ (етап 5). Пластина кремнію протравлюється наскрізь до стоп-шару за допомогою селективного травлення, що взаємодіє із кремнієм і не взаємодіє з легованим кремнієм і шаром Si₃N₄, (етап 6). Після цього Si₃N₄ змивається, і на звороті пластини в легованій області методом фотолітографії формуються острівці з фоторезисту (етап 7,8). Потім проводиться травлення кремнію, у результаті якого виходять стовпчики кремнію під острівцями фоторезисту (етап 9). Далі за допомогою плазменного травлення зі стовпчиків кремнію формуються голки (етап 10,11). Для поліпшення відбивних властивостей кантилевери зі зворотної сторони (стосовно вістря) покриваються тонким шаром металу (Al, Au) методом вакуумного насадження. У результаті даних технологічних операцій виготовляється цілий набір зондових датчиків на одній кремнієвій пластині. Для проведення електричних вимірів на зонд наносяться провідні покриття з різних матеріалів (Au, Pt, Cr, W, Mo, Ti, W₂C й ін.). У магнітних АСМ датчиках зонди покриваються тонкими шарами феромагнітних матеріалів, таких як Co, Fe, CoCr, FeCr, CoPt й ін.

Мал. 10. Основні етапи виготовлення зондових датчиків



Розділ 2. Особливості застосування АСМ до нанооб'єктів

2.1 Контактна АСМ

Умовно методи одержання інформації про рельєф і властивості поверхні за допомогою АСМ можна розбити на дві великі групи - контактні квазістатичні й безконтактні коливальні. У контактних квазістатичних методиках вістря зонда перебуває в безпосередньому контакті з поверхнею, при цьому сили притягання й відштовхування, що діють з боку зразка, урівноважуються силою пружності консолі. При роботі АСМ у таких режимах використаються кантилевери з відносно малими коефіцієнтами твердості, що дозволяє забезпечити високу чутливість й уникнути небажаного надмірного впливу зонда на зразок.

У квазістатичному режимі АСМ зображення рельєфу досліджуваної поверхні формується або при постійній силі взаємодії зонда з поверхнею (сила притягання або відштовхування), або при постійній середній відстані між основою зондового датчика і поверхнею зразка. При скануванні зразка в режимі F_z = const система зворотного зв'язку підтримує постійною величину вигину кантилевера, а отже, і силу взаємодії зонда зі зразком (Рис. 11.). При цьому керуюча напруга в петлі зворотного зв'язку, що подається на Z-електрод сканера, буде пропорційно рельєфу поверхні зразка.

Рис. 11. Формування АСМ зображення при постійній силі взаємодії зразка з зондом

При дослідженні зразків з малими (порядку одиниць ангстрем) перепадами висот рельєфу часто застосовується режим сканування при постійній середній відстані між основою зондового датчика й поверхнею (Z = const). У цьому випадку зондовий датчик рухається на деякій середній висоті Z_ср над зразком (Рис. 12), при цьому в кожній точці реєструється вигин консолі ?Z, пропорційний силі, що діє на зонд із боку поверхні. АСМ зображення в цьому випадку характеризує просторовий розподіл сили взаємодії зонда з поверхнею.

Рис. 12. Формування АСМ зображення при постійній відстані між зондовим датчиком і зразком

Недолік контактних АСМ методик - безпосередня механічна взаємодія зонда з поверхнею. Це часто призводить до поломки зондів і руйнування поверхні зразків у процесі сканування. Крім того, контактні методики практично не придатні для дослідження зразків, що мають малу механічну твердість, таких як структури на основі органічних матеріалів і біологічні об'єкти.

За допомогою атомно-силового мікроскопа вивчають особливості локальної силової взаємодії зонду з поверхнею і на підставі результатів отримують інформацію про властивості поверхні зразків.

Для цього знімають так звані криві підводу та відводу зонду до поверхні. Фактично це залежності величини вигину кантилеверу ?Z (а отже, і сили взаємодії зонда з поверхнею) від координати z при зближенні зондового датчика і зразка. Характерний вид залежності ?Z = f(z) зображений на Рис. 13.

Рис. 13. Схематичне зображення залежності деформації кантилевера від відстані z між зондовим датчиком і поверхнею зразка

При наближенні до поверхні зразка зонд попадає в область дії сил притягання. Це спричиняє вигин кантилевера в напрямку до поверхні. У цій області може спостерігатися явище стрибка зонда до поверхні, обумовлене наявністю великого градієнта сил притягання поблизу поверхні зразка. Для потенціалу типу Леннарда-Джонса область більших градієнтів сили притягання становить Z*~1 нм. На Рис. 14 схематично показані залежності сили Леннарда-Джонса і її похідна від відстані між зондом і поверхнею.

Рис. 14. Схематичне зображення залежності сили (а) та її похідної (б) по координаті z від відстані зонд-поверхня

Для спостереження ефекту стрибка зонду до поверхні необхідно, щоб твердість обраного кантилевера була менша, ніж максимум похідної сили по координаті z. Пояснимо даний ефект на прикладі моделі малих коливань консолі. Рівняння руху пружного кантилевера поблизу поверхні має вигляд осцилятора із частотою, що залежить від відстані d між кантилевером і зразком



(1.6)

де F - сила взаємодії зонда з поверхнею, z - pced кантилевера зі стану рівноваги, k - твердість кантилевера, m - його маса, в - відстань між положенням рівноваги та поверхнею, щ - частота осцилятора. Його отримали шляхом складних математичних перетворень. Якщо на якійсь відстані градієнт сили перевершує по величині твердість кантилевера, то . Ця умова відповідає нестійкому маятнику (маятник у верхнім положенні). Будь-які невеликі збурювання приводять до втрати стійкості, і кантилевер рухається до поверхні.

При подальшому зближенні зондового датчика і зразка зонд починає відчувати відштовхування з боку поверхні, і кантилевер згинаєтся в іншу сторону (Рис. 13, (б)). Нахил кривої ?Z = f(z) на цій ділянці визначається пружними властивостями зразка і кантилевера. Якщо взаємодія зонда і зразка абсолютно пружня, то залежність вигину кантилевера від відстані АСМ датчик - поверхня, що фіксується на зворотному ході, збігається із залежністю, одержуваною на прямому ході (Рис. 13). Для м'яких (пластичних) зразків, таких як плівки органічних матеріалів, біологічні структури та ін., а також для зразків, на поверхні яких перебувають адсорбовані шари різних матеріалів, криві ?Z = f(z) мають більш складний характер. У цьому випадку на вид залежності істотний вплив створюють ефекти капілярності і пластичності. Наприклад на зонд, що сканує зразок, що містить на поверхні шар рідини, діє додаткова сила поверхневого натягу. Це приводить до того, що при відводі зондового датчика точка відриву кантилевера від поверхні такого зразка зміщається в область більших Z.

Таким чином, по виду залежностей ?Z = f(z) можна судити про характер взаємодії зонда з поверхнею, досліджувати локальну твердість у різних крапках зразка, вивчати розподіл сил адгезії на поверхні зразків.



2.2 Система керування АСМ при роботі кантилевера в контактному режимі

Спрощена схема системи керування АСМ при роботі кантилевера в контактному режимі представлена на Рис. 15. Система керування складається із цифрової частини, реалізованої на базі персонального комп'ютера, і аналогової частини, виконуваної звичайно у вигляді окремого блоку.

Перед початком роботи оператор юстує оптичну схему системи реєстрації відхилення кантилевера таким чином, щоб струм з різних секторів фотодіода був однаковим, а його величина максиРисьна. Потім за допомогою ЦАП-Set установлюється напруга, пропорційна робочому значенню відхилення кантилевера ДZ, що буде підтримуватися постійним системою зворотного зв'язку. Після цього включається система зближення зонда і зразка. При цьому керуюча напруга із ЦАП-КД подається на кроковий двигун (КД). У початковому стані напруга в петлі зворотного зв'язку менше, ніж значення, установлене оператором за допомогою ЦАП-Set, і сканер максимально витягнутий у напрямку зонда. При підході зразка до зонда кантилевер згинається, з'являється різницевий струм з фотодіода, і система зближення переходить до процедури точної установки зразка. У цьому режимі відбувається подальший рух зразка до зонда за допомогою двигуна і одночасне відсунення його за допомогою сканера доти, поки площина поверхні зразка не досягне положення, що відповідає середині динамічного діапазону переміщень сканера. Після цього мікроскоп готовий до роботи.

Сканування зразка здійснюється при подачі напруг пилкоподібної форми на зовнішні електроди трубчастого сканера. При цьому в петлі зворотного зв'язку струм підтримується постійним. При скануванні зразка в режимі F_z = const напруга на Z-електроді сканера пропорційна рельєфу поверхні. Реальне миттєве значення напруги U, пропорційне різницевому струму ФД, рівняється в схемі порівняння (СП) з величиною U₀, що задане оператором.

Рис.15. Спрощена схема системи керування атомно-силового мікроскопа при роботі кантилевера в контактному режимі

Різницевий сигнал (U-U₀) підсилюється (підсилювач П2) і подається на внутрішній Z-електрод сканера. Сканер відпрацьовує даний сигнал доти, поки різниця (U-U₀) не стане рівної нулю. Таким чином, при скануванні напруга на Z-електроді сканера виявляється пропорційною рельєфу поверхні. Сигнал з виходу схеми порівняння записується за допомогою АЦП як інформація про рельєф поверхні.

Одержання АСМ зображення при постійній середній відстані між зондовим датчиком і зразком Z_ср=const відбувається наступним чином: Спочатку знімається залежність ?Z = f(z) і визначається точне положення зонда над поверхнею. Потім зворотний зв'язок розривається, і за допомогою ЦАП-Z виставляється обране оператором значення відстані зонд-поверхня. Після цього відбувається сканування зразка. Величина напруги з виходу попереднього підсилювача, пропорційна відхиленню кантилевера. Таким чином отримують малюнок поверхні.

При використанні кантилеверов із провідним покриттям можлива реєстрація вольт-амперних характеристик контакту зонд-зразок в обраній точці поверхні. Для одержання ВАХ ключ К2 замикається, і напруга пилкоподібної форми подається із ЦАП-U на кантилевер. Синхронно із цим напруга, пропорційна струму через контакт, підсилюється, записується за допомогою АЦП в пам'ять комп'ютера і ілюструється засобами комп'ютерної графіки.

2.3 Коливальні методики АСМ

Одним із недоліків контактних АСМ методик є безпосередня механічна взаємодія зонда з поверхнею. Це часто призводить до поломки зондів і руйнування поверхні зразків. Крім того, контактні методики практично не придатні для дослідження зразків, що володіють Рисою механічною жорсткістю (структури на основі ряду органічних матеріалів і багато біологічних об'єктів). Для дослідження таких зразків застосовуються коливальні АСМ методики, засновані на реєстрації параметрів взаємодії кантилевера, що коливаються, з поверхнею. Дані методики дозволяють істотно зменшити механічну дію зонда на поверхню в процесі сканування. Крім того, розвиток коливальних методик істотно розширив арсенал можливостей АСМ по вимірюванню різних властивостей поверхні зразків.

Точний опис коливань кантилевера зондового датчика АСМ є складним математичним завданням. Проте основні риси процесів, що відбуваються при взаємодії кантилевера, що коливається, з поверхнею, можна описати на основі спрощених моделей, зокрема моделі зосередженої маси. Представимо кантилевер у вигляді пружної консолі з зосередженою масою m на одному кінці. Інший кінець консолі закріплений на п'єзовібраторі ПВ (Рис. 16).

Рис. 16. Модель зондового датчика у вигляді пружної консолі з масою на кінці

Нехай пьєзовібратор здійснює гармонічні коливання з частотою щ:



(2.1)

Тоді рівняння такої коливальної системи запишеться

(2.2)

де член враховує сили в'язкого тертя з боку повітря, F₀ - сила тяжіння та інші можливі постійні сили. Як відомо, постійна сила лише зміщує положення рівноваги системи і не впливає на частоту, амплітуду і фазу коливань. Провівши певні математичні операції, з'ясуємо, що зсув резонансної частоти дисипативної системи буде рівний

(2.3)

де Q = щ₀/г - добротність системи, щ_rd - частота резонансної дисипативної системи, щ₀ - частота в стані рівноваги. Це призведе до того, що амплітудно-частотна характеристика системи зміститься в область низьких частот (Рис. 17).

29

Рис. 17. Зміна АЧХ і ФЧХ в системі з дисипацією

Проте, як показують оцінки, для типових значень добротності кантилеверів в повітряному середовищі величина зсуву резонансної частоти унаслідок дисипації Риса. Вплив дисипації зводиться, в основному, до істотного зменшення амплітуди коливань і розширення амплітудно-частотної (АЧХ) і фазо-частотної (ФЧХ) характеристик системи (рис 17.).

2.4 Безконтактний режим коливань кантилевера АСМ

У безконтактному режимі кантилевер здійснює вимушені коливання з Рисою амплітудою близько 1 нм. При наближенні зонда до поверхні на кантилевер починає діяти додаткова сила з боку зразка F_PS. При Ван-дер-ваальсовій взаємодії це відповідає області відстаней між зондом і зразком, де діє сила тяжіння. Проводячи математичні операції, було виявлено наявність градієнта сили взаємодії зонда з поверхнею зразка, приводить до додаткового зсуву АЧХ і ФЧХ системи (Рис 18)

Рис. 18. Зміна АЧХ і ФЧХ кантилевера під дією градієнта сили

Із рівнянь також видно, що наявність градієнта сили приводить до зсуву ФЧХ, так, що точка його згину щ^* знаходиться на частоті

(2.4)

Отже, додатковий зсув фази за наявності градієнта сили буде рівне:

(2.5)

Він визначається похідною z-компоненти сили по координаті z. Дана обставина використовується для отримання фазового контрасту в АСМ дослідженнях поверхні.

2.5 "Напівконтактний" режим коливань кантилевера АСМ

Реєстрація зміни амплітуди і фази коливань кантилевера в безконтактному режимі вимагає високої чутливості і стійкості роботи зворотного зв'язку. На практиці частіше використовується так званий "напівконтактний" режим коливань кантилевера (іноді його називають переривисто-контактний, а в іноземній літературі - "intermittent contact" або "tapping mode" режими). При роботі в цьому режимі збуджуються змушені коливання кантилевера поблизу резонансу з амплітудою близько 10-100 нм. Кантилевер підводиться до поверхні так, щоб в нижньому напівперіоді коливань відбувався дотик до поверхні зразка (це відповідає області відштовхування на графіку залежності сили від відстані (Рис. 19).

Рис. 19. Вибір робочої точки при "напівконтактному" режимі коливань кантилевера

При скануванні зразка реєструється зміна амплітуди і фази коливань кантилевера. Взаємодія кантилевера з поверхнею в "напівконтактному" режимі складається з ван-дер-ваальсового взаємодії, до якої у момент дотику додається пружна сила, що діє на кантилевер з боку поверхні. Якщо позначити через z₀ відстань між положенням рівноваги кантилевера, що коливається, і поверхнею, а через F_PS(z(t)) - комбіновану силу, то рівняння руху кантилевера можна записати:

(2.6)

де координата z відраховуэться від поверхні. Відмітимо, що "напівконтактний" режим реалізується лише тоді, коли відстань Z₀ менше амплітуди коливань кантилевера z₀ < Q u₀. Теорія "напівконтактного" режиму значно складніше за теорію безконтактного режиму, оскільки в цьому випадку рівняння, що описує рух кантилевера, дисить нелінійне. Сила F_PS(z(t)) не може бути розкладена в ряд по малим z. Проте характерні особливості даного режиму схожі з особливостями безконтактного режиму - амплітуда і фаза коливань кантилевера залежать від ступеня взаємодії поверхні і зонда в нижній точці коливань кантилевера. Оскільки в нижній точці коливань зонд механічно взаємодіє з поверхнею, то на зміну амплітуди і фази коливань кантилевера в цьому режимі суттєвий вплив робить локальна жорсткість поверхні зразків.

Зсув по фазі між коливаннями збуджуючого п'єзоелектричного вібратора і сталими коливаннями кантилевера можна оцінити, якщо розглянути процес дисипації енергії при взаємодії зонда із зразком. При сталих коливаннях енергія, що приходить в систему, рівна енергії, що розсіюється системою. Енергія, що поступає в систему від п'єзовібратора за період коливань:

(2.7)

Вона витрачається на компенсацію втрат при взаємодії кантилевера з атмосферою і зразком.

Енергію E_PA, що розсіюється в атмосферу за період, визначають таким чином:

(2.8)

Енергія E_PS, що йде на компенсацію втрат при диссипативній взаємодії зонда із зразком, рівна:

(2.9)

З умови балансу

(2.10)

Припускаючи, що сталі коливання кантилевера мають вид

z=A•Cos(щt+ц),

одержуємо:

(2.11)

Звідси, для фазового зсуву

(2.12)

Таким чином, фазовий зсув коливань кантилевера в даному режимі визначається енергією диссипативної взаємодії зонду з поверхнею зразка.

Формування АСМ зображення поверхні в режимі коливань кантилевера проходить таким чином. За допомогою п'єзовібратора збуджуються коливання кантилевера на частоті з амплітудою А_щ. При скануванні система зворотного зв'язку АСМ підтримує постійну амплітуду коливань кантилевера на рівні A₀, що задається оператором. Напруга в петлі зворотного зв'язку (на z-електроді сканера) записується в пам'ять комп'ютера як АСМ зображення рельєфу поверхні. Одночасно при скануванні зразка в кожній точці реєструється зміна фази коливань кантилевера, яка записується у вигляді розподілу фазового контрасту.

Рис. 20. АСМ зображення ділянки поверхні плівки поліетилену одержані в "напівконтактному" режимі

(а) - рельєф поверхні, одержаний в режимі постійної амплітуди

(б) - відповідний розподіл фазового контрасту

Рис. 21. Зображення наноструктур ZnO та GaAs



Рис. 22. Зображення окремих елементів оксиду цинку



Висновок

Отже, в даній роботі було розглянуто метод атомно-силової мікроскопії, як один із видів скануючої зондової мікроскопії. було розглянуто принцип роботи і режими роботи. Представлені деякі знімки, отримані цим методом.

Проте потрібно сказати, на перерахованих вище методиках можливості СЗМ далеко не закінчуються. Тут проілюстровані тільки найпоширеніші методики роботи. Вельми дуже перспективним є такий напрям розвитку СЗМ як нанолітографія і наноманіпуляції, комбінування приладів з різного роду спектральними аналізаторами, реалізація методик, здатних виявляти підповерхневі дефекти (на основі збудження ультразвукових коливань в зразку, теплового збудження і ін.), створення багатоканальних сенсорів, в яких використовується не один зонд, а десятки і навіть тисячі. Теоретично, СЗМ може відобразити будь-яку поверхню, будь-якої форми і в будь-яких умовах. Реалізація стримується тільки апаратними обмеженнями, але враховуючи темпи розвитку електронної техніки, вже найближчим часом можна чекати істотного розширення сфери застосувань СЗМ. Також розглядається можливість за допомогою СЗМ впливати на поверхню (наприклад, фірма ІВМ створили нанонапис «ІВМ»).

Література

R.D. Young. Field emission ultramicrometer //Rev. Sci. Instruments, 37, p. 275-298 (1966).

R. Young, J. Ward and F. Scire. The Topografiner: an Instrument for Measuring Surface Microtopography // Rev. Sci. Instruments, 43, p. 999-1011 (1972).

G. Binning and H. Rohrer. Great zur rasterartigen Oberflachenuntersuchung unter Ausnutzung des Vakuum - Tunneleffekts bei kriogenischen Temperaturen // EUPatent 0 027 517Bl. Prioritat: 20.09.79 CH 8486/79.

G.Binnig, H. Rohrer, C.Gerber, E. Weibel/IPhys. Rev. Lett. 50, p. 120 (1986).

Быков B.A. Приборы и методы сканирующей зондовой микроскопии для исследования и модификации поверхностей // Дис. докт. тех. Наук, Гос. Научнфй центр, Гос. НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина, Москва, 393 с. (2000).

B.Capella, G. Dietler. Force-distance curves by atomic force microscopy //Surface Science reports, 34, p.p.1-104 (1999).

Рехвиашвили С.Ш., Дедков Г.В. // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докл. науч.-техн. семинара, М.:МНТОРЭСим. А.С. Попова, МЭИ, 1998, С. 205-209.

В.И. Иванов - Сканирующая туннельная микроскопия. // Приборы и техника експеремента, №5

В.С. Едельман - Развитие сканирующей туннельной и силовой микроскопии. // Приборы и техника експеремента, №1

С.Н. Магонов - Сканирующая силовая микроскопия полимеров и родственных материалов // Высокомолекулярные соединения. т38 №1

«Сканирующая зондовая микроскопия биполимеров» (Под ред. И.Я. Яминского) М.: Научный мир. 1997

А.П. Володин - Новое в сканирующей микроскопии // Приборы и техника експеремента, №6

С.А. Рыков - «Сканирущая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур», СПБ, Наука, 2001.

Р.З. Бихтизин, Р.Р. Галлямов - «Физические основы сканирующей зондовой микроскопии» Уфа, РИО БашГУ, 2003.

Ю.С. Бараш - «Силы Ван-дер-ваальса» М.: Наука, 1988.

А. Роуз-Инс, Е. Редерик - «Введение в физики сверхпроводимости» М.: Мир 1972.

Д.И. Блохинцев - «Основы Квантовой механики» М.: Наука, 1983.

D. Sarid - “Exploring scanning hrobe microscopy with “Matematika””, John Wiley & Sons, inc., New York? 1997

В.К. Неволин - «Основы тунельно-зондовой нанотехнологии: Учебное пособие» М.: МГИЭТ (ТУ), 1996

Интернет-сайт компании «НТ-НДТ» http://www.ntndt.ru