Атомно-силовая микроскопия. Контактные квазистатические и бесконтактные колебательные методы

Отображение выполняется измерением силы взаимодействия через отклонение мягкого кантилевера во время сканирования иглы вдоль поверхности. Генерирование сигнала в AFM по существу базируется на силах межатомного отталкивания, которые действуют на чрезвычайно коротких расстояниях. В идеальном случае можно представить, что наконечник заканчивается единственным атомом. Это означает, что прямой контакт наконечника с поверхностью образца ограничен чрезвычайно маленькой областью. Вследствие этого, всегда существует межатомная отталкивающая сила в этой маленькой области контакта из-за перекрытия электронных оболочек атомов подложки и наконечника. Так как на силу межатомного отталкивания влияет полная электронная плотность вокруг атома, эта сила может использоваться для исследования топографии поверхности на атомном уровне. В дополнение к этой силе, действуют также и другие факторы, влияющие на точность измерения, некоторые из которых уже были перечислены. Например, силы притяжения могут привести к разрушению образца иглой зонда. Так что эти воздействия необходимо минимизировать.

фотодиоде, т.е. соотношение между сигналами на двух сегментах. Данный метод чувствителен к перемещению кантилевера с разрешающей способностью 0.1 нм.

При выявлении сравнительно больших геометрических деталей качество изображений определяется геометрией острия. Критическими являются следующие параметры: радиус закругления конца иглы r и аспектное отношение A_r = L/W (отношение высоты зонда к диаметру основания).

Рис. 2. Искажение изображения профиля поверхности вследствие конечной величины отношения аспекта и радиуса закругления острия. В отличие от многих других поверхностных аналитических методов, например сканирующей электронной микроскопии, AFM не требует вакуума. Таким образом, ее можно использовать для прямого наблюдения границ раздела твердого тела с газом и жидкостью. Последний вариант открывает возможность защищать чувствительные поверхности инертной жидкостью.

6.Сканирующая туннельная микроскопия. Метод постоянного туннельного тока и метод постоянного среднего расстояния. ближнепольная оптическая микроскопия.

вертикальном направлении при прохождении топографических особенностей (или, на атомном уровне, локальной плотности состояний) на поверхности. В этом методе сравнительно большие и шероховатые области образца могут быть отображены без повреждения наконечника или поверхности образца, однако, скорости сканирования остаются сравнительно низкими, для того, чтобы позволить системе обратной связи отследить изменение высоты. В методе постоянного расстояния поддерживается неизменным вертикальное положение наконечника, и регистрируется изменяющийся туннельный ток. При этом можно достигнуть большей скорости развертки изображения, что важно для устранения теплового дрейфа в режиме высокого разрешения, однако, возможно разрушение образца или наконечника зонда из-за их удара.

Используемые наконечники для экспериментов STM должны быть остры и устойчивы. Химическая стабильность может быть достигнута использованием благородных металлов. Механическая жесткость может быть достигнута использованием коротких проволочек. Для изготовления наконечников часто используются сплавы Pt и Ir. Из-за высокой химической стабильности Pt/Ir наконечники удовлетворяют экспериментам с высоким разрешением на плоских образцах. Однако они не в состоянии проследить резкие изменения топографии поверхности. Поэтому для исследования шероховатых образцов используются электролитически стравленные вольфрамовые наконечники, хотя они менее устойчивы к окислению.

Хотя физические исследования электронного состояния поверхностей требуют высокого вакуума, чтобы гарантировать чистоту образцов, сама по себе методика может быть использована на воздухе и в жидкости.

STM изображения можно интерпретироваться как рельеф поверхности только для поверхностных структур с размерами много больше межатомного расстояния. В общем случае, изображения в режиме постоянного тока описывают локальные плотности состояний. Если полярность образца отрицательна, то отображаются состояния в валентной зоне. Для положительной полярности образца может быть зарегистрировано распределение электронных состояний в зоне проводимости. В случае если на поверхности присутствуют различные химические соединения, контраст изображения также определяется изменениями эффективной высоты барьера (работой выхода) в различных точках.

Подобно AFM, одно из преимуществ STM – широкий диапазон разрешений просмотра (от 100 мкм до атомного уровня) в одном эксперименте. Высокие разрешения позволяют исследовать локальные дефекты поверхности: моноатомные дефекты, ступеньки, дислокации. Кроме того, возможность получить спектроскопическую информацию делает STM очень ценным инструментом для того, чтобы изучения поверхностных процессов в атомном масштабе. С помощью СТМ и других почти столь же локальных модификаций этого метода оказалось возможным не только указать, в каком положении на поверхности находятся те или иные атомы, но и обнаружить те или иные дефекты атомных размеров, исследовать границы зерен, доменов, дислокации, анализировать многочисленные поверхностные процессы на участках в десятки ангстрем, электронную структуру нанообъектов, их магнитные, механические, оптические, электрические свойства. Выяснилось, что метод СТМ применим для создания нового направления в поверхностной литографии — нанолитографии, позволяющей вплотную подойти к созданию наноэлектроники.

В настоящее время именно метод СТМ является наиболее удобным для анализа кристаллической решетки поверхностных фаз. Наблюдая при помо­щи СТМ за распределением атомов, формирующих поверхностную фазу, и сопоставляя эти данные с результатами определения покрытия поверхности адсорбатом, часто удается построить модель соответствую­щей кристаллической решетки.

Одно из главных достоинств ме­тода СТМ состоит в возможности осуществлять с его помощью литографические процессы наноатомных размеров. На рис. 11, а—г приведены три основных метода манипуляции поверхностными атомами: их лате­ральное перемещение, селективная адсорбция атомов и их селективное удаление с поверхности.

7.Техника сканирующей зондовой микроскопии: принципы работы сканирующих зондовых микроскопов; сканирующие элементы зондовых микроскопов;

(СЗМ) — появилась в 80-х годах 20-го века. Ее принцип основан на использовании механического зонда для получения увеличенных изображений поверхности. Этим методом можно получать трехмерное изображение на воздухе, в жидкости и в вакууме с разрешением вплоть до долей ангстрема. Наиболее распространенные разновидности СЗМ – это атомно-силовая микроскопия и сканирующая туннельная микроскопия. В конструкцию СЗМ входят зонд, пьезоэлектрические двигатели для перемещения зонда, электронная цепь обратной связи и компьютер для управления процессом сканирования, получения и обработки изображений (Рис.1).

Главной частью микроскопа является сенсор с высоким пространственным разрешением. Эти сенсоры обычно позволяют измерять расстояния с точностью 0,01 нм. Основными видами сенсоров являются туннельный и атомно-силовой.

Рис.1. Схема сканирующего зондового микроскопа.

Техника сканирующей зондовой микроскопии: устройства для прецизионных перемещений зонда и образца; защита зондовых микроскопов от внешних воздействий; формирование и обработка СЗМ изображений.

Любая конструкция сканирующего зондового микроскопа представляет собой колебательную систему, имеющую целый набор собственных резонансных частот. Внешние механические воздействия на частотах, совпадающих с ними, вызывают явления резонанса в конструкции измерительных головок, что приводит к колебаниям зонда относительно образца и воспринимается как паразитный периодический шум, искажающий и размывающий изображения поверхности образцов. С целью уменьшения влияния внешних вибраций измерительные головки изготавливают из массивных металлических деталей, имеющих высокие (более 100 кГц) частоты. Наименьшими резонансными частотами обладают сканирующие элементы зондовых микроскопов. В конструкциях современных микроскопов приходится идти на компромисс между величиной максимального поля обзора сканирующего элемента и его резонансной частотой. Типичными для сканеров являются резонансные частоты в диапазоне 10 - 100 кГц.

Для защиты приборов от внешних вибраций применяются различные типы виброизолирующих систем. Условно виброизолирующие системы можно разделить на пассивные и активные. Основная идея, заложенная в пассивные виброизолирующие системы, заключается в следующем. Амплитуда вынужденных колебаний механической системы быстро спадает при увеличении разницы между частотой возбуждающей силы и собственной резонансной частотой системы. Поэтому внешние воздействия с частотами, много большими собственной резонансной частоты,практически не оказывают заметного влияния на колебательную систему. Следовательно, если поместить измерительную головку зондового микроскопа на виброизолирующую платформу или на упругий подвес, то на корпус микроскопа пройдут лишь внешние колебания с частотами, близкими к резонансной частоте виброизолирующей системы. Поскольку собственные частоты головок СЗМ составляют 10 - 100 кГц, то, выбирая резонансную частоту виброизолирующей системы достаточно низкой (порядка 5 - 10 Гц), можно весьма эффективно защитить прибор от внешних вибраций. С целью гашения колебаний на собственных резонансных частотах в виброизолирующие системы вводят диссипативные элементы с вязким трением. Для реализации частоты 10 Гц сжатие упругого элемента должно составлять всего 2,5 мм. Такое сжатие достаточно легко

осуществляется на практике с помощью стопки металлических пластин с резиновыми прокладками, что значительно снижает габариты виброизолирующей системы.

Активные системы подавления внешних вибраций представляют собой электромеханические системы с отрицательной обратной связью, которая обеспечивает стабильное положение виброизолирующей платформы в пространстве. Принцип работы активных систем можно рассмотреть на следующем простом примере. На платформе располагается датчик вибраций (акселерометр) – устройство, реагирующее на ускорение, испытываемое платформой. Сигнал с датчика поступает в систему обратной связи, где он усиливается и в противофазе подается на пьезоэлектрические опоры, которые, смещаясь в противоположную сторону, гасят ускорение, испытываемое платформой. Это так называемое пропорциональное регулирование.

Еще одним источником вибраций элементов конструкции зондовых микроскопов являются акустические шумы различной природы. Особенностью акустических помех является то, что акустические волны непосредственно воздействуют на элементы конструкции головок СЗМ, что приводит к колебаниям зонда относительно поверхности исследуемого образца. Для защиты СЗМ от акустических помех применяются различные защитные колпаки, позволяющие существенно снизить уровень акустической помехи в области рабочего промежутка микроскопа. Наиболее эффективной защитой от акустических помех является размещение измерительной головки зондового микроскопа в вакуумной камере.