Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию, страница 16

Керамическая пьезотрубка при подаче на ее электроды управляющего напряжения меняет свою форму и размеры, что позволяет в зависимости от сигнала перемещать иглу по трем координатам. Насколько велика чувствительность микроманипулятора, можно судить по таким цифрам: при изменении напряжения на 1 В игла смещается на величину порядка двух-трехнанометров.

Ведя таким образом иглу над поверхностью рельефа, довольно просто получить серию электрических кривых, которые с высокой степенью точности будут описывать характер поверхности. Воочию ее можноувидеть на экране персонального компьютера, подсоединенного к туннельному микроскопу.В сканирующей зондовой микроскопии широкое распространениеполучили трубчатые пьезоэлементы (рис. 2.19). Они позволяют получатьдостаточно большие перемещения объектов при относительно небольших77управляющих напряжениях. Трубчатые пьезоэлементы представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезокерамическихматериалов. Обычно электроды в виде тонких слоевметалла наносятся на внешнюю и внутреннюю поверхности трубы, а торцы трубкиостаются непокрытыми.

Поддействием разности потенРис. 2.19. Трубчатый пьезоэлементциалов между внутренним ивнешним электродами трубка изменяет свои продольные размеры.Абсолютное удлинение пьезотрубки равно:Δx = dl0V,hгде h - толщина стенки трубки;l 0 – длина трубки в недеформированном состоянии;V – разность потенциалов между внутренним и внешним электрода-ми;d - диаметр трубки.Таким образом, при одном и томже напряжении V удлинение трубкибудет тем больше, чем больше ее длинаи чем меньше толщина ее стенки.На сегодняшний день в сканирующей зондовой микроскопии наиболее широко используются сканеры, изготовленные на основе одного трубчатого элемента. Схема расположенияэлектродов представлена на рис. 2.20.Материал трубки имеет радиальное наРис. 2.20.

Схема расположения элекправление вектора поляризации. Внуттродов трубчатого пьезоэлементаренний электрод обычно сплошной.Внешний электрод сканера разделен по образующим цилиндра на четыресекции. 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 противопо78ложные стороны. Это приводит к изгибу трубки в соответствующем направлении.

Таким образом, осуществляется сканирование в плоскостиX , Y . Изменение потенциала внутреннего электрода относительно всехвнешних 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 распространениеполучили также сканеры на основе биморфных пьезоэлементов.Биморф представляет собой двепластины пьезоэлектрика, склеенные между собой таким образом, что вектора поляризации вкаждой из них направлены в про- Рис.

2.21. Устройство биморфного пьезоэлементативоположные стороны (рис.2.21). Если подать напряжение на электродыбиморфа, то одна изпластин будет расширяться, а другая сжиматься, что приведет кизгибу всего элемента.В реальных конструкциях биморфных элементов создается разность потенциалов между внутренним общим Рис. 2.22. Трехкоординатный сканер на трех биморфи внешними электрода- ных элементахми так, чтобы в одномэлементе поле совпадало с направлением вектора поляризации, а в другомбыло направлено противоположно.Изгиб биоморфа под действием электрических полей положен в основу работы биоморфных пьезосканеров. Объединяя три биоморфных79элемента в одной конструкции, можно реализовать триод на биоморфныхэлементах (рис.

2.22).В зависимости от измеряемого параметра – туннельного тока илирасстояния между иглой и поверхностью – возможны два режима работысканирующего туннельного микроскопа. В режиме постоянной высотыострие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, аток туннелирования изменяется взависимостиотрасстояния до него (рис.

2.23, а).Информационнымсигналом в этомРис. 2.23. Режимы работы СТМслучаеявляетсявеличина тока туннелирования, измеренная в каждой точке сканированияповерхности образца. На основе полученных значений туннельного токастроится образ топографии. В режиме постоянного тока система обратнойсвязи микроскопа обеспечивает постоянство тока туннелирования путемподстройки расстояния «игла-образец» в каждой точке сканирования(рис.

2.23, б). Она отслеживает изменения туннельного тока и управляетнапряжением, приложенным к сканирующему устройству, таким образом,чтобы компенсировать эти изменения. Другими словами, при увеличениитока система обратной связи отдаляет зонд от образца, а при уменьшении –приближает его. В этом режиме изображение строится на основе данных овеличине вертикальных перемещений сканирующего устройства. Оба режима имеют свои достоинства и недостатки. В режиме постоянной высотыможно быстро получить результаты, но только для относительно гладкихповерхностей. В режиме постоянного тока можно с высокой точностьюизмерять нерегулярные поверхности, но измерения занимают больше времени.При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности по методу постоянной высоты Z = const .

В этом случае зонд перемещается надповерхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменениятуннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности. Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со ско80ростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатываеттолько 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.Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долейнанометра.

В боковых направлениях разрешение зависит от качества зондаи 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 многоменьших, чем характерный радиус кривизны острия. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающий над поверхностьюзонда, находится ближе кповерхности на расстояние, равное величине периодакристаллическойрешетки. Поскольку зависимость туннельного токаот расстояния экспоненциальная, то ток в этом слуРис.

2.24. Реализация атомарного разрешения в СТМчае течет в основном между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда (рис.2.24). С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до атомного размера.Интерес к СТМ объясняется его уникальным разрешением, позволяющим проводить исследования на атомном уровне. При этом для работымикроскопа не обязательно требуется высокий вакуум, в отличие от электронных микроскопов других типов. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условияхсверхвысокого вакуума.

Выделяют также низкотемпературные СТМ, работающие в условиях криогенных температур.81Сканирующие зондовые микроскопы позволяют осуществлять триспособа исследования поверхностей, такие как:- сканирующаятуннельная микроскопия (СТМ);- сканирующаясиловая микроскопия(ССМ);- близкопольнаясканирующая микроскопия (БСМ).Несмотрянабольшое многообразиевидов и примененийсовременных зондовыхсканирующихтуннельных микроскопов,в основе их работы заложенысходныепринципы и конструкции мало различаютсяРис. 2.25.

Обобщенная структурная схема сканирую- между собой. На рис.щего зондового микроскопа2.25 приведена обобщенная схема такого микроскопа.Принцип его работы заключается в следующем. С помощью системыгрубого позиционирования измерительный зонд подводится к поверхностиисследуемого образца. При приближении образца и зонда на расстояниеменее сотен нм последний начинает взаимодействовать с поверхностнымиструктурами анализируемой поверхности. Перемещение зонда вдоль поверхности образца осуществляется с помощью сканирующего устройства,которое обеспечивает сканирование поверхности иглой зонда.