Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию, страница 14

Эти приборы обычно имеют узкое целевоеназначение.Зеркальные электронные микроскопы служат главным образомдля визуализации электростатических «потенциальных рельефов» и магнитных микрополей на поверхности объекта. Основным электроннооптическим элементом прибора является электронное зеркало, причем одним из электродов служит сам объект, который находится под небольшимотрицательным потенциалом относительно катода пушки. Электронныйпучок направляется в электронное зеркало и отражается полем в непосредственной близости от поверхности объекта. Зеркало формирует на экранеизображение «в отраженных пучках»: микрополя возле поверхности объекта перераспределяют электроны отраженных пучков, создавая контраст визображении, визуализирующий эти микрополя.672.3. Сканирующая зондовая микроскопия2.3.1.

Виды сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ)Во всех упомянутых методах применяется принцип облучения исследуемого объекта потоком частиц и детектирования результатов взаимодействия пучка частиц с объектом исследования. В сканирующей зондовоймикроскопии (СЗМ) использован другой принцип: вместо зондирующихчастиц в ней используется твердотельный механический зонд в виде иглыи детектируется результат взаимодействия иглы с поверхностью исследуемого объекта. При этом может использоваться взаимодействие различнойприроды (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 обобъекте исследования, а дискретное (от точки к точке, от линии к линии)перемещение зонда и считывание информации в каждой точке.Сканирующая зондовая микроскопия – 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 развитияновых методов в нанотехнологии – технологии создания структур с нанометровыми масштабами.Изображение в СЗМ получают путем механического перемещениязонда, растрового сканирования образца и записи взаимодействия зонда споверхностью. Оптический и электронный микроскоп дают лишь плоскуюкартинку.

Увидеть трехмерную структуру микромира удалось только тогда, когда на смену оптическому лучу пришла тончайшая игла. Вначалепринцип механического сканирования с помощью микрозонда нашел при68менение в сканирующей туннельной микроскопии, а затем на этой основебыл разработан более универсальный метод атомно-силовой микроскопии.Сканирующий зондовый микроскоп – это инструмент со множествомвозможностей. С его помощью можно строить реальные трехмерные изображения с широким динамическим диапазоном, охватывающим традиционные «сферы деятельности» оптических и электронных микроскопов.

Этотакже и профилометр с беспрецедентным разрешением. Сканирующийзондовый микроскоп может измерять такие физические свойства, как, например, проводимость поверхности, распределение статических зарядов,параметры магнитных полей и модуля упругости, свойства смазочныхпленок и др.Основные виды сканирующих зондовых микроскопов – атомносиловой микроскоп и сканирующий туннельный микроскоп, которыепредполагают наличие твердой неподвижной зондирующей иглы в ближнем поле объекта.Практически любые взаимодействия острия зонда с поверхностью(механические, магнитные) могут быть преобразованы с помощью соответствующих приборов и компьютерных программ в изображение поверхности. В настоящее время существует уже целое семейство сканирующихзондовых микроскопов: атомно-силовой, магнитный силовой, ближнегополя, основные характеристики которых (в первую очередь, разрешающаяспособность) вплотную приблизились к характеристикам СТМ. Например,атомно-силовой микроскоп не требует, чтобы образцы были проводящими,и позволяет при этом исследовать структурные и упругие свойства проводников и изоляторов, а также комбинацию изображений электронных иупругих свойств мягких материалов.В различных литературных источниках СЗМ называют либо атомносиловыми микроскопами (АСМ-AFM), либо микроскопами поверхностного потенциала (SPM):• Атомно-силовая микроскопия (EFM, atomic force microscopy).• Электростатическая сканирующая туннельная микроскопия (EFM,electrostatic force microscopy).• Электрохимическая сканирующая туннельная микроскопия (ESTM,electrochemical scanning tunneling microscopy).• Силовая модуляционная микроскопия (FMM, force modulation microscopy).69• Кельвиновская зондовая силовая микроскопия (RPFM, kelvin probeforce microscopy).• Магнитная силовая микроскопия (MFM, magnetic force microscopy).• Магнитно-резонансная силовая микроскопия (MRFM, magnetic resonance force microscopy).• Сканирующая ближнепольная микроскопия (NSOM, near-field scanning optical microscopy, от SNOM, scanning near-field optical microscopy).• Фотонная сканирующая туннельная микроскопия (PSTM, photonscanning tunneling microscopy).• Сканирующая электрохимическая микроскопия (SECM, scanningelectrochemical microscopy).• Сканирующая емкостная микроскопия (SCM, scanning capacitancemicroscopy).• Сканирующая затворная микроскопия (SGM, scanning gate microscopy).• Сканирующая ионопроводящая микроскопия (SICM, scanning ionconductance microscopy).• Спин-поляризованная сканирующая туннельная микроскопия (SPSTM, spin polarized scanning tunneling microscopy).• Сканирующая термальная микроскопия (SThM, scanning thermal microscopy).• Сканирующая туннельная микроскопия (STM, scanning tunneling microscopy).• Сканирующая микроскопия напряжения (SVM, scanning voltage microscopy).• Сканирующая зондовая микроскопия Холла (SHPM, scanning Hallprobe microscopy).2.3.2.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ)В настоящее время существуют приборы, позволяющие отображатьотдельные атомы: полевой ионный микроскоп и просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения. Однако оба они имеют существенные ограничения по применимости, связанные со специфическими требованиями к форме образцов. В первом случае образцы должны иметьформу острых игл из проводящего материала с радиусом закругления не70более 1000 Å, а во втором – тонких полосок толщиной менее 1000 Å. Поэтому изобретение в 1982 году Г.

Биннигом и Г. Рорером, работающим вфилиале компании ИБМ в Цюрихе, сканирующего туннельного микроскопа, не накладывающего ограничений на размеры образцов, реально открыло двери в новый микроскопический мир.СТМ – первый из семейства зондовых микроскопов. Он стал первымустройством, давшим реальные изображения поверхностей с разрешениемдо размера атома.Основное приложение СТМ – это измерение топографии.

Именноблагодаря своей чрезвычайно высокой чувствительности СТМ способенформировать изображения поверхностей с субангстремной точностью повертикали и атомным латеральным (т.е. в горизонтальном направлении)разрешением.В СССР первые работы по этой тематике появились в конце восьмидесятых годов ХХ века.История создания этой методологии СТМ берет свое начало с конца60-х годов ХХ века, когда Р. Янг (Национальное бюро стандартов, США)попытался использовать электронное туннелирование для исследованиягеометрической структуры поверхности. С этой целью он разработал прибор, названный им топографиметром, весьма напоминающий современныйСТМ за одним принципиальным исключением: сканирование осуществлялось на расстоянии ~100 Å от поверхности и в режиме полевой электронной эмиссии (а не вакуумного туннелирования).

В результате удалось наблюдать, например, поверхность дифракционной решетки (~180 линий/мм), но с разрешением лишь несколько сот ангстрем. Р. Янг сумелосуществить перемещение (и позиционирование) объектов в трех направлениях с точностью до 1 нм, использовав перемещающие устройства набазе пьезоэлектриков. Пьезоэлектрические управляющие устройства открыли путь к созданию одного из современных вариантов микроскопаближнего поля – растрового, или сканирующего, туннельного микроскопа.В ноябре 1978 года будущие Нобелевские лауреаты Г. Биннинг иГ.

Рорер вернулись к идее использования вакуумного туннелирования длялокальной спектроскопии тонких оксидных слоев на металлах. Для перемещения острия на малые расстояния и поддержания ширины вакуумногозазора с субангстремной точностью были использованы пьезоэлектрические материалы и система обратной связи.71Принцип работы СТМ. По своей природе электрон обладает какволновыми, так и корпускулярными свойствами. Расчеты показывают, чтоволновые функции электронов в атоме отличны от нуля и за пределамиразмера самого атома. Поэтому при сближении атомов волновые функцииэлектронов перекрываются раньше, чем начинает существенно сказываться действие межатомных сил. Появляется возможность перехода электронов от одного атома к другому. Таким образом, возможен обмен электронами и между двумя телами, сближенными без соприкосновения, то естьбез механического контакта.Для обеспечения направленного движения электронов (электрического тока) между такими телами необходимо выполнение двух условий:• у одного тела должны быть свободные электроны (электроны проводимости), а у другого – незаполненные электронные уровни, куда моглибы перейти электроны;• между телами требуется приложить разность потенциалов, и ее величина несоизмеримо мала в сравнении с той, что требуется для полученияэлектрического разряда при пробое воздушного диэлектрического зазорамежду двумя телами.Электрический ток, возникающий при заданных условиях, объясняется туннельным эффектом и называется туннельным током.

Явление туннелирования в СТМ реализуется, когда один из проводников представляетсобой иглу (зонд) 1, а другой – поверхность исследуемого объекта 3(рис. 2.16). То есть в сканирующем туннельном микроскопе роль отверстияиграет тончайшее металлическое (как правило, вольфрамовое) острие, илизонд, кончик которого может представлять собой один-единственный атоми иметь размер в поперечнике около 0,2 нм. Пьезоэлектрические устройства подводят зонд на расстояние 1-2 нм от поверхности исследуемого электропроводящего объекта – настолько близко, что электронные облака накончике зонда и ближайшего к нему атома объекта перекрываются.