СЗМ (Раздаточные материалы от преподавателя)

Â.Ë. ÌèðîíîâÓ÷åáíîå ïîñîáèå äëÿ ñòóäåíòîâñòàðøèõ êóðñîâ âûñøèõó÷åáíûõ çàâåäåíèéÎÑÍÎÂÛñêàíèðóþùåé çîíäîâîéìèêðîñêîïèèÐÎÑÑÈÉÑÊÀß ÀÊÀÄÅÌÈß ÍÀÓÊÈÍÑÒÈÒÓÒ ÔÈÇÈÊÈ ÌÈÊÐÎÑÒÐÓÊÒÓÐã. Íèæíèé Íîâãîðîä2004 ã.В. Л. МироновУчебное пособиедля студентов старших курсоввысших учебных заведенийОСНОВЫсканирующейзондовой микроскопииРОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУКИНСТИТУТ ФИЗИКИ МИКРОСТРУКТУРг. Нижний Новгород2004 г.В. Л. МироновОсновы сканирующей зондовой микроскопииУчебное пособие для студентов старших курсоввысших учебных заведенийРоссийская академия наук,Институт физики микроструктург.

Нижний Новгород, 2004 г. - 110 с.Книга представляет собой учебное пособие для студентов старших курсоввысших учебных заведений, посвященное одному из самых современных методовисследования поверхности твердого тела – сканирующей зондовой микроскопии(СЗМ). В книге рассматриваются основные виды СЗМ, нашедшие наиболее широкоеприменение в научных исследованиях: сканирующая туннельная микроскопия (СТМ),атомно-силовая микроскопия (АСМ), электросиловая микроскопия (ЭСМ), магнитносиловая микроскопия (МСМ), ближнепольная оптическая микроскопия (БОМ).ПРИБОРОСТРОЕНИЕ ДЛЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙШирокий спектр сканирующих зондовых микроскопов длянаучных исследованийУчебно,научные лаборатории для ВУЗов и школРазмагничивание жесткого диска во внешнем поле 0,1250 гауссРазмер скана: 30x30 мкмSolver HVSolver P47HСложный протеинРазмер скана: 3x3 мкмНанолитографияРазмер скана: 2,5x2,5 мкмМоноклональные антителаРазмер скана: 270x270x3 нмСТМ изображение углероднойнанотрубкиРазмер скана: 20x20 нмSolver SNOMРоссия, 124460, Москва, Гос.

НИИ ФизическихПроблем им. Ф. В. Лукина,Т: +7 (095) 5350305, Ф: +7 (095) 5356410Email: bykov@ntmdt.com, http://www.ntmdt.comSolver LSСодержаниеПредисловие автора.......................................................................................... 6Введение .............................................................................................................. 71.

Техника сканирующей зондовой микроскопии ...................................... 81.1. Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов............ 81.2. Сканирующие элементы (сканеры) зондовых микроскопов ........ 91.3. Устройства для прецизионных перемещений зонда и образца... 161.4. Защита зондовых микроскопов от внешних воздействий ........... 221.5.

Формирование и обработка СЗМ изображений ............................. 272. Методы сканирующей зондовой микроскопии..................................... 442.1. Сканирующая туннельная микроскопия ........................................ 442.2. Атомно-силовая микроскопия ........................................................... 622.3.

Электросиловая микроскопия ........................................................... 872.4. Магнитно-силовая микроскопия ...................................................... 912.5. Ближнепольная оптическая микроскопия.................................... 101Заключение..................................................................................................... 108Основные этапы развития СЗМ................................................................. 109Литература......................................................................................................

111Предисловие автораДанное учебное пособие написано на основе курса лекций, прочитанногоавтором в 2002 – 2003 г. студентам старших курсов радиофизического факультета ифакультета "Высшая школа общей и прикладной физики" Нижегородскогогосударственного университета. Одной из причин для его написания послужилопрактически полное отсутствие учебной литературы по методам сканирующейзондовой микроскопии на русском языке. При большом количестве учебнойлитературы на английском языке (здесь, прежде всего, хочется упомянуть прекраснуюкнигу Д.Сарида [1], которая частично была использована при составлении данногопособия) на сегодняшний день известно лишь несколько отечественных работобзорного характера [2-8], которые могут быть использованы в целях обучениястудентов.

Наиболее близко учебным целям отвечают пособие, изданное в БашГу [11],и материалы на интернет-сайтах [12,13].Пособие было написано в короткие сроки (фактически за два месяца) по заказукомпании "НТ-МДТ" (г. Зеленоград), производящей сканирующие зондовыемикроскопы для научных исследований и специальные СЗМ комплексы для обучениястудентов методам зондовой микроскопии. Возможно, в силу столь малого срока,отведенного для написания, данная книга содержит недостатки.

Буду признателенкаждому, кто сообщит о замеченных ошибках, неточностях и других возможныхнедостатках.Написание данного пособия, во многом, было стимулировано директоромИнститутафизикимикроструктурРАН,членом-корреспондентомРАНС. В. Гапоновым. Пользуясь случаем, выражаю благодарность сотрудникам ИФМ РАНД. Г.

Волгунову, С. А. Трескову и О. Г. Удалову за многочисленные плодотворныеобсуждения; В. Н. Рябоконю ("НТ-МДТ") за критическое и конструктивноерецензирование данной работы; Г.В.Мироновой за тщательную корректуру рукописи.Выражаю также свою искреннюю благодарность компании "НТ-МДТ" (г. Зеленоград),особенно В.

А. Быкову и А. В. Быкову, за идейную и материальную поддержкуиздательского проекта.ВведениеСканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) - один из мощных современныхметодов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела свысоким пространственным разрешением. За последние 10 лет сканирующая зондоваямикроскопия превратилась из экзотической методики, доступной лишь ограниченномучислу исследовательских групп, в широко распространенный и успешно применяемыйинструмент для исследования свойств поверхности. В настоящее время практически ниодно исследование в области физики поверхности и тонкопленочных технологий необходится без применения методов СЗМ.

Развитие сканирующей зондовоймикроскопии послужило также основой для развития новых методов в нанотехнологии– технологии создания структур с нанометровыми масштабами.Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) – первый из семейства зондовыхмикроскопов - был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными Гердом Биннигом иГенрихом Рорером [14,15]. В своих работах они показали, что это достаточно простой ивесьма эффективный способ исследования поверхности с пространственнымразрешением вплоть до атомарного. Настоящее признание данная методика получилапосле визуализации атомарной структуры поверхности ряда материалов и, в частности,реконструированной поверхности кремния. В 1986 году за создание туннельногомикроскопа Г.

Биннигу и Г. Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике.Вслед за туннельным микроскопом в течение короткого времени были созданыатомно-силовой микроскоп (АСМ), магнитно-силовой микроскоп (МСМ),электросиловой микроскоп (ЭСМ), ближнепольный оптический микроскоп (БОМ) имногие другие приборы, имеющие сходные принципы работы и называемыесканирующими зондовыми микроскопами. В настоящее время зондовая микроскопия это бурно развивающаяся область техники и прикладных научных исследований.1. Техника сканирующей зондовой микроскопии1.1. Принципы работы сканирующих зондовых микроскоповВ сканирующих зондовых микроскопах исследование микрорельефаповерхности и ее локальных свойств проводится с помощью специальным образомприготовленных зондов в виде игл. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размерыпорядка десяти нанометров.

Характерное расстояние между зондом и поверхностьюобразцов в зондовых микроскопах по порядку величин составляет 0,1 – 10 нм. В основеработы зондовых микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда споверхностью. Так, работа туннельного микроскопа основана на явлении протеканиятуннельного тока между металлической иглой и проводящим образцом; различныетипы силового взаимодействия лежат в основе работы атомно-силового, магнитносилового и электросилового микроскопов. Рассмотрим общие черты, присущиеразличным зондовым микроскопам.

Пусть взаимодействие зонда с поверхностьюхарактеризуется некоторым параметром Р. Если существует достаточно резкая ивзаимно однозначная зависимость параметра Р от расстояния зонд – образец Р = Р(z),то данный параметр может быть использован для организации системы обратной связи(ОС), контролирующей расстояние между зондом и образцом. На рис. 1 схематичнопоказан общий принцип организации обратной связи сканирующего зондовогомикроскопа.РоОСИЭРРРоZZoРис. 1. Схема организации системы обратной связи зондового микроскопа9Система обратной связи поддерживает значение параметра Р постоянным,равным величине Ро, задаваемой оператором. Если расстояние зонд – поверхностьизменяется (например, увеличивается), то происходит изменение (увеличение)параметра Р.

В системе ОС формируется разностный сигнал, пропорциональныйвеличине ∆P = P - Po , который усиливается до нужной величины и подается наисполнительный элемент ИЭ. Исполнительный элемент отрабатывает данныйразностный сигнал, приближая зонд к поверхности или отодвигая его до тех пор, покаразностный сигнал не станет равным нулю. Таким образом можно поддерживатьрасстояние зонд-образец с высокой точностью. В существующих зондовыхмикроскопах точность удержания расстояния зонд-поверхность достигает величины~ 0.01 Å. При перемещении зонда вдоль поверхности образца происходит изменениепараметра взаимодействия Р, обусловленное рельефом поверхности.

Система ОСотрабатывает эти изменения, так что при перемещении зонда в плоскости X,Y сигнална исполнительном элементе оказывается пропорциональным рельефу поверхности.Для получения СЗМ изображения осуществляют специальным образоморганизованный процесс сканирования образца. При сканировании зонд вначаледвижется над образцом вдоль определенной линии (строчная развертка), при этомвеличина сигнала на исполнительном элементе, пропорциональная рельефуповерхности, записывается в память компьютера. Затем зонд возвращается в исходнуюточку и переходит на следующую строку сканирования (кадровая развертка), и процессповторяется вновь.

Записанный таким образом при сканировании сигнал обратнойсвязи обрабатывается компьютером, и затем СЗМ изображение рельефа поверхностиZ = f(x,y) строится с помощью средств компьютерной графики. Наряду сисследованием рельефа поверхности, зондовые микроскопы позволяют изучатьразличные свойства поверхности: механические, электрические, магнитные,оптические и многие другие.1.2. Сканирующие элементы (сканеры) зондовых микроскоповДля работы зондовых микроскопов необходимо контролировать рабочеерасстояние зонд-образец и осуществлять перемещения зонда в плоскости образца свысокой точностью (на уровне долей ангстрема).

Эта задача решается с помощьюспециальных манипуляторов - сканирующих элементов (сканеров). Сканирующиеэлементы зондовых микроскопов изготавливаются из пьезоэлектриков – материалов,обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Пьезоэлектрики изменяют своиразмеры во внешнем электрическом поле. Уравнение обратного пьезоэффекта длякристаллов записывается в виде:u ij = d ijk E k ,где u ij - тензор деформаций, E k - компоненты электрического поля, d ijk - компоненты тензора пьезоэлектрических коэффициентов. Вид тензора пьезоэлектрическихкоэффициентов определяется типом симметрии кристаллов.10Глава 1.