Иванов Ю.А. - Исследование поверхности методом атомно-силовой микроскопии

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н.Э. БАУМАНА»

Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника»

Кафедра РЛ-6 «Технологии приборостроения»

Ю.А.Иванов, С.А.Мешков

Исследование поверхности методом атомно-силовой микроскопии

Методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплинам «Методы диагностики в нанотехнологиях» и «Нанотехнологии»

Москва 2013

Цель и задачи работы

Освоение основ метода сканирующей зондовой микроскопии. Изучение устройства атомно-силового микроскопа на базе комплекса «NTEGRA Spectra». Знакомство с режимами атомно-силовой микроскопии при исследовании топографии поверхности образца.

Введение

Для исследования поверхности твердых тел существует много разнообразных методов. Методы, основанные на увеличении изображения с помощью увеличительных линз и оптических микроскопов, ведут свое начало с конца 17 столетия. В первой половине 20 века были разработаны методы микроскопии с помощью электронных и ионных пучков.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) —изобретение последней четверти 20 века, основанное на использовании механического зонда для получения увеличенных изображений поверхности. Этим методом можно получать трехмерное изображение на воздухе, в жидкости и в вакууме с разрешением до 0,1 нм. В конструкцию СЗМ входят зонд, пьезоэлектрические двигатели для перемещения зонда, электронная цепь обратной связи и компьютер для управления процессом сканирования, получения и обработки изображений. Для обеспечения предельного разрешения измерения проводят в условиях высокого вакуума до 10^-10 Па.

Краткие теоретические сведения

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) — один из мощных современных методов исследования рельефа и локальных свойств поверхности твердого тела с пространственным разрешением до 0,1 нм. Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило также основой для развития зондовой технологии создания структур с нанометровыми размерами.

В сканирующих зондовых микроскопах используются специальные зонды в форме игл и пирамид. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет радиус кривизны порядка десяти нанометров. Расстояние между зондом и поверхностью образцов по порядку величин составляет 0,1–10 нм.

В основе работы зондовых микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью образца. 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.

Основные принципы атомно-силовой микроскопии

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофером Гербером. 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 (пирамидкой) на конце (рисунок 1). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно измерить силу взаимодействия зонда с поверхностью.

Рисунок 1 — Схематическое изображение зондового датчика АСМ

Взаимодействие зонда АСМ с образцом имеет сложный характер. Главная характеристика взаимодействия: зонд АСМ испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях – 20-1 нм и отталкивание на малых – менее 1 нм.

Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика, т.е. изменения расстояния острия зонда от поверхности образца (координаты острия по оси z). В атомно-силовой микроскопии для этой цели широко используются оптические методы (рисунок 2).

образец

Рисунок 2 — Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового датчика АСМ

Излучение полупроводникового лазера фокусируется на консоли зондового датчика, а отражённый пучок попадает в центр фоточувствительной области фотоприёмника. В качестве позиционно-чувствительных фотоприёмников применяются четырёхсекционные полупроводниковые фотодиоды. Ток каждой секции фотодиода I_Z пропорционален интенсивности падающего на него излучения. По соотношению величин токов в секциях можно измерить модуль и знак ∆I_Z и тем самым деформацию консоли

Применяются различные режимы измерения рельефа поверхности образца.

В режиме постоянной деформации (изгиба) консоли оптическая система измеряет деформацию ∆Z изгиба консоли под действием z-компонент сил притяжения или отталкивания взаимодействия зонда с поверхностью по изменению фототока ∆I_Z датчика. Величина ∆I_Z используется в качестве входного параметра в петле обратной связи (ОС) атомно-силового микроскопа (рисунок 3). Система обратной связи обеспечивает ∆I_Z = const с помощью пьезоэлектрического исполнительного элемента (сканера), который приближает к зонду или удаляет от него весь образец и тем самым поддерживает изгиб консоли ∆Z равным величине ∆Z₀, задаваемой оператором (рис.2).

Рисунок 3 — Упрощённая схема организации обратной связи в атомно-силовом микроскопе

При сканировании образца в режиме ∆I_Z = const зонд перемещается по координатам x и y вдоль поверхности образца. При этом изменение напряжения ∆U_z на Z-электроде сканера, которое пропорционально удлинению или укорочению сканера по оси z, 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.

Этот режим работы АСМ может дать наиболее подробную картину рельефа поверхности образца, когда между зондом и образцом возникает сила отталкивания. При этом вершина (острие) зонда касается поверхности образца, иными словами, зонд находится в контакте с поверхностью образца.

Режимы работы АСМ подробно описаны в следующих разделах.

Зондовые датчики атомно-силовых микроскопов

Зондовый датчик АСМ представляет собой упругую консоль - кантилевер (cantilever) с острым зондом на конце (рис. 1 и 4). Датчики изготавливаются методами фотолитографии и травления из кремниевых пластин. Упругие консоли формируются, в основном, из тонких слоёв легированного кремния, SiO₂ или Si₃N₄.

Рисунок 4 — Схематическое изображение зондового датчика АСМ

Один конец кантилевера жестко закреплён на кремниевом основании – держателе. На другом конце консоли располагается собственно зонд в виде острой иглы или пирамиды. Радиус закругления острия современных АСМ зондов составляет 1–50 нм в зависимости от типа зондов и технологии их изготовления. Угол при вершине зонда — 10–20˚. Силу F взаимодействия зонда с поверхностью можно измерить используя соотношение: F = k·∆Z, где k— жёсткость кантилевера; ∆Z— величина, характеризующая его изгиб. Коэффициенты жёсткости кантилеверов k варьируются в диапазоне 10^-3–10 Н/м в зависимости от используемых при их изготовлении материалов и геометрических размеров.

Часто используются динамические (колебательные) режимы работы АСМ. В колебательных режимах важны резонансные свойства кантилеверов. Собственные частоты изгибных колебаний консоли прямоугольного сечения определяются следующей формулой:

, (1)

где l— длина консоли; E— модуль Юнга; J— момент инерции сечения консоли; ρ— плотность материала; S— площадь поперечного сечения; λi— численный коэффициент (в диапазоне 10–100), зависящий от моды изгибных колебаний.

Как видно из выражения (1), резонансная частота кантилевера определяется его геометрическими размерами и свойствами материала. Частоты основных мод лежат в диапазоне 10–1000 кГц.

В атомно-силовой микроскопии применяются, в основном, зондовые датчики двух типов — с кантилевером в виде балки прямоугольного сечения и с треугольным кантилевером, образованным двумя балками.

Иногда зондовые датчики АСМ имеют несколько кантилеверов различной длины (а значит, и различной жёсткости) на одном основании. В этом случае выбор рабочей консоли осуществляется соответствующей юстировкой оптической системы атомно-силового микроскопа.

Зондовые датчики с треугольным кантилевером имеют при тех же размерах большую жёсткость и, следовательно, более высокие резонансные частоты. Чаще всего они применяются в колебательных АСМ методиках.

Изготовление зондовых датчиков для АСМ представляет собой достаточно сложный технологический процесс, включающий в себя операции фотолитографии, ионной имплантации, химического и плазменного травления.

Режимы атомно-силовой микроскопии

Выделяют два режима АСМ — динамический (полуконтактный) и статический (контактный режим).

Динамические (колебательные) режимы

При непосредственном механическом взаимодействии зонда с поверхностью образца часто приводит к поломке зонда и разрушению поверхности образца. Контактные методики практически не пригодны для исследования образцов, обладающих малой механической жёсткостью (структуры на основе ряда органических материалов и многие биологические объекты). Для исследования таких образцов применяются колебательные АСМ методики, основанные на регистрации параметров взаимодействия с поверхностью зонда на колеблющемся кантилевере. Данные методики позволяют существенно уменьшить механическое воздействие зонда на поверхность в процессе сканирования. Кроме того, развитие колебательных методик существенно расширило возможности АСМ по измерению различных свойств поверхности образцов.

Регистрация изменения амплитуды и фазы колебаний кантилевера в бесконтактном режиме требует высокой чувствительности и устойчивости работы обратной связи.

На практике чаще используется так называемой «полуконтактный» режим колебаний кантилевера (иногда его называют прерывисто-контактный, а в иностранной литературе — “intermittencontact” или “tappingmode” режимы). При работе в этом режиме с помощью специального пьезовибратора возбуждаются вынужденные колебания кантилевера вблизи резонанса с амплитудой в пределах 10–100 нм. Кантилевер подводится к поверхности так, чтобы в нижнем полупериоде колебаний происходило касание зондом поверхности образца. Это соответствует области отталкивания на графике зависимости силы F от расстояния z между остриём зонда и поверхностью образца (рисунок 5).

Рисунок 5. 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-ваальсовского взаимодействия (притяжения), к которому в момент касания добавляется упругая сила отталкивания, действующая на кантилевер со стороны поверхности.