Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию, страница 17

Обычно онопредставляет собой трубку из пьезокерамики, на поверхность которой нанесены три пары разделенных электродов. Под действием приложенных кпьезотрубке напряжений Ux и Uy она изгибается, обеспечивая тем самымперемещение зонда относительно образца по осям X и Y, под действиемнапряжения Uz – сжимается или растягивается, что позволяет изменятьрасстояние игла – образец.82Датчик положения зонда непрерывно отслеживает позицию зондаотносительно образца и через систему обратной связи передает данные оней в компьютерную систему, управляющую движением сканера. Для регистрации сил взаимодействия зонда с поверхностью обычно используютметод, основанный на регистрации отклонения луча полупроводниковоголазера, отраженного от кончика зонда.

В микроскопах такого типа отраженный пучок света падает в центр двух- или четырехсекционного фотодиода, включенного по дифференциальной схеме. Дифференциальный метод регистрации отклонения отраженного лазерного луча позволяет регистрировать отклонение консоли величиной всего 10 – 20 нм. Компьютерная система служит, кроме управления сканером, также для обработкиданных от зонда, анализа и отображения результатов исследования поверхности.Пьезоэлектрические двухкоординатные манипуляторы перемещаютзонд вдоль поверхности образца, формируя растр наподобие того, как этоделается в электронном микроскопе.

При этом параллельные строки растраотстоят друг от друга на доли нанометра. Если бы кончик зонда не повторял профиль поверхности, то туннельный ток менялся бы в очень широкихпределах, увеличиваясь в те моменты, когда зонд проходит над выпуклостями (например над атомами на поверхности), и уменьшаясь до ничтожномалых значений при прохождении зазоров между атомами. Однако зондзаставляют двигаться вверх и вниз в соответствии с рельефом поверхности.

Осуществляется это с помощью механизма обратной связи, которыйулавливает начинающееся изменение туннельного тока и изменяет напряжение, прикладываемое к третьему манипулятору, который двигает зонд внаправлении, перпендикулярном поверхности, таким образом, чтобы величина туннельного тока не менялась, т.е. чтобы зазор между зондом и объектом оставался постоянным. По изменению напряжения на третьем зондекомпьютер строит трехмерное изображение поверхности. При этом разрешающая способность микроскопа достигает атомного уровня, т.е. могутбыть видны отдельные атомы, размеры которых составляют 0,2 нм.Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций:сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в другихтипах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, атакже в телевизионной технике, а электронное туннелирование с успехомиспользовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до83появления СТМ (как и контактная спектроскопия).

Все это делает СТМуникальным микроскопом, который не содержит линз (а значит, изображение не искажается из-за аберраций), энергия электронов, формирующихизображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньшеэнергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопиивысокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и дажемегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов.СТМ позволяет визуализировать области высокой электроннойплотности и, следовательно, выводить положение индивидуальных атомови молекул на поверхности решетки.

Чувствительность и локальность метода СТМ на порядок превышают аналогичные параметры других методов,но при этом СТМ обладает существенным недостатком: все исследуемыеобразцы должны быть проводящими, что неприемлемо при исследованииматериалов и структур, содержащих диэлектрические слои.2.3.3. Атомно-силовой микроскоп (АСМ)Основной недостаток СТМ – работа только с токопроводящими поверхностями – был устранен в конце 1986 года, когда Биннинг, Квант иГербер предложили конструкцию прибора нового поколения, который тоже позволяет исследовать поверхности с беспрецедентной детальностью,но уже вовсе не обязательно электропроводящие. Новый прибор был назван атомным силовым микроскопом (АСМ).

Первый промышленныйАСМ был изготовлен в США фирмой «Digital Instruments» в 1989 году.Атомно-силовой микроскоп (англ. AFM – atomic force microscope) –сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный нена туннельном эффекте как в СТМ, а на силовом взаимодействии иглыкантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. Обычно подвзаимодействием понимают притяжение или отталкивание кантилевера отповерхности из-за сил Ван-дер-Ваальса, т.е. сил межмолекулярного взаимодействия.

При использовании специальных кантилеверов можно изучатьтакже электрические и магнитные свойства поверхности. В отличие отСТМ, атомно-силовой микроскоп позволяет исследовать как проводящие,так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяетработать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разреше84ние АСМ зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его повертикали.Принцип действия атомного АСМ основан на использовании силатомных связей, действующих междуатомами вещества.

На малых расстояниях между двумя атомами (около одного ангстрема) действуют силы отталкивания, а на больших – силы притяжения. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В сканирующематомном силовом микроскопе такими Рис. 2.26. Регистрация отклонениятелами служат исследуемая поверх- лазерного луча в АСМность и скользящее острие.Схема АСМ приведена на рис.

2.26. Для создания изображения(рельефа) поверхности образца АСМ использует зонд с наконечником ввиде острой иглы), который контактирует с образцом. Игла изготавливается из различных материалов (например, кремния или нитрида кремния) срадиусом кривизны 10 нм для Si и 20-60 нм для Si3N4. Она прикреплена кгибкой консоли (кантилеверу), которая нагружается внешней силой со стороны закрепленного конца для создания определенного контактного давления. Игла огибает профиль поверхности образца, перемещаемого в горизонтальной плоскости с помощью пьезоманипулятора по двум взаимноперпендикулярным осям. При движении иглы ее верхний конец (свободный конец кантилевера) отклоняется по закону Гука. Это отклонение измеряется благодаря фиксации изменения (от некоторого нулевого) положения луча лазера, отражаемого от зеркала на конце кантилевера и принимаемого с помощью четырехсегментного массива фотодиодов (МФД).Отклонение может быть вызвано механической контактной силой,силами атомного и молекулярного взаимовоздействия (силами Кулона иВан-дер-Ваальса), капиллярными силами, силами электростатическоговзаимодействия, магнитными силами (характерными для магнитосиловогомикроскопа) и т.д.

В соответствии с этими вариантами возможны разныетипы консолей. Методы измерения отклонения консоли при этом могут85быть основаны на емкостных, резистивных, кондуктивных (на основе проводимости), магнитных, интерференционных и других типах датчиков.Сигнал с МФД обрабатывается компьютером, который формируетсигнал обратной связи, подаваемый на пьезокерамический манипулятор,для регулировки расстояния между концом зонда (иглы) и образцом с целью поддержать постоянство силы взаимодействия между иглой и образцом. Уровень этой силы можно менять, используя консоли различной жесткости, что особенно важно в биологических приложениях АСМ.В АСМ использован принцип «оптического рычага».

При прогибе(изгибе) консоли пучок лазерного излучения отражается и попадает на фотодиод. Разность сигналов позволяет измерить измененияпрогиба консоли. Посколькуизгиб консоли подчиняетсязакону Гука для малых перемещений, можно определитьсилу взаимодействия междуострием и поверхностью образца. В качестве датчика вАСМ могут использоватьсяРис. 2.27. Схематическое изображение зондово- любые особо точные и чувстго датчика АСМ – кантилеверавительные – прецизионные –Рис.

2.28. Некоторые разновидности игл кантилеверовизмерители перемещений, например, оптические, емкостные или туннельные датчики. Величина отклонения упругого элемента (пружинки) несет86информацию о высоте рельефа – топографии поверхности и, кроме того,об особенностях межатомных взаимодействий. Принципы прецизионногоуправления, основанного на обратной связи и улавливающего самые ничтожные изменения рельефа поверхности, в СТМ и АСМ практическиодинаковы.Один из основных и общих элементов конструкции сканирующихзондовых микроскопов – кантилевер (консоль, кронштейн – зондовый).Это датчик в виде крошечной балки (рис. 2.27) толщиной от 0,1 до 5 мкм,шириной от 10 до 40 мкм и длиной от 100 до 200 мкм. На конце полоски –игла с острием, радиус закругления которого порядка одного нанометра(рис.

2.28). Кантилеверы изготовляют из кремния или нитрида кремния, аострие – из этих же материалов или алмаза. Сила взаимодействия расположенных на поверхности атомов и наконечника вызывает отклонения последнего. Для регистрации отклонений используется сфокусированный наконсоли (кантилевере), в которой закреплен наконечник, лазерный пучок.Отраженный консолью пучок воспринимается приемником излучения.По мере приближения иглы к поверхности ее атомы все сильнейпритягиваются к атомам образца. Сила притяжения будет возрастать покаигла и поверхность не сблизятся настолько, что их электронные облаканачнут отталкиваться электростатически. При дальнейшем сближенииэлектростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения.

Эти силы уравновешиваются на расстоянии между атомами около0,2 нм.Подобно СТМ в АСМ сканирование поверхности может происходить двумя способами: сканирование кантилевером (зондом) и сканирование подложкой. В первом случае вдоль исследуемой поверхности движется кантилевер, во втором относительно неподвижного кантилевера движется сама подложка.Для регистрации сил взаимодействия зонда с поверхностью обычноиспользуют метод, основанный на регистрации отклонения лазерного луча,отраженного от кончика зонда. Луч направляется на самый кончик кантилевера, покрытый специальным алюминиевым зеркальным слоем, послечего попадает в специальный четырехсекционный фотодиод.Таким образом, малейшие отклонения кантилевера приводят к смещению луча лазера относительно секций фотодиода, что, в свою очередь,меняет сигнал с фотодиода, показывающего смещения кантилевера в туили иную сторону.