СЗМ (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 14

90. Изменение амплитуды и фазы колебаний при изменении градиента силыКоэффициенты перед ∆F'z определяют чувствительность амплитудного ифазового методов измерения. Максимум чувствительности достигается приопределенных частотах возбуждения кантилевера. Для амплитудных измерений этачастота составляет:ω A = ω 0 1 − Fz'0 / k ( 1 ±1),8Qпри этом8 2 Q2AF ( ω A , F ) = −.27 k''z'z0Для фазовых измерений максимум чувствительности достигается, когда частотавозбуждения кантилевера совпадает с резонансной частотой системы зонд-образец:ω F = ω 0 1 − Fz'0 / k ,при этомϕ 'F ( ω F , Fz'0 ) ='zQ.kВ качестве примера на рис. 91 представлены МСМ изображения поверхностимагнитного диска, полученные с помощью различных методик.96Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопии(a)(б)(в)(г)Рис.

91. МСМ исследования поверхности магнитного диска:(а) – АСМ изображение рельефа поверхности;(б) – МСМ изображение фазового контраста;(в) – МСМ изображение амплитудного контраста;(г) – МСМ изображение распределения силы взаимодействия зонда с поверхностьюКонтраст на МСМ изображениях связан, в конечном итоге, с распределениемнамагниченности в образце. Особенности формирования МСМ изображениймагнитных структур можно проиллюстрировать с помощью модельных расчетов вприближении диполь - дипольного взаимодействия. В этом случае магнитный образецразбивается на элементарные объемы, намагниченность которых описываетсяvjмагнитными диполями ms(рис.

92). Зонд в простейшем случае может бытьrпредставлен в виде отдельного диполя m p . Тогда Z-компонента градиента силызапишется следующим образом:∂rr r ∂r rFz ( r ) = ∑ (( mP ∇ ) H zj ( r − rS j ) ,∂z∂zjгде магнитное поле j –того диполя образца в точке кончика зонда равно [45]:r j r rjjjmsz3( z − z s )( ms ⋅ ( r − rs ))r rj− r rj 3.H z ( r − rs ) =r rj 5r − rsr − rsj97Перемещая зонд над магнитной структурой на некоторой высоте и рассчитываяв каждой точке сдвиг фазы ∆ϕ =QFz', можно смоделировать МСМ изображение.kZvmprrr rr − rs jYXrrs jvm sjРис. 92.

Взаимодействие зонда с образцом в дипольном приближенииНа рисунке 93 в качестве примера представлены результаты модельных расчетовМСМ иображения для однородно намагниченной частицы в виде эллиптическогоциллиндра.(а)(б)Рис. 93. Моделирование МСМ изображения однородно намагниченной частицы:(а) - распределение намагниченности в частице;(б) – соответствующее МСМ изображение.98Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопииЭкспериментальное МСМ изображение упорядоченного массива магнитныхчастиц эллиптической формы приведено на рис. 94.Рис. 94.

МСМ изображение массива магнитных наночастиц, сформированных методоминтерференционного лазерного отжига пленок Fe-Cr [46]Система управления АСМ, ЭСМ, МСМ (колебательные методики)Упрощенная схема системы управления АСМ, ЭСМ, МСМ, представленана рис. 95. Электронные ключи К1 – К5 управляются напряжениями с выходногорегистра (ВР) и служат для конфигурирования системы управления. Генератор (Г)формирует гармонические сигналы для возбуждения колебаний кантилевера. Величинаамплитуды и значение частоты сигнала генератора задаются с помощьюдвухканального ЦАП-Г.

Механические колебания кантилевера возбуждаются спомощью пьезовибратора (ПВ). Амплитуда и фаза этих колебаний детектируются спомощью синхронного детектора (СД).На первом этапе измеряются амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная(ФЧХ) характеристики кантилевера в свободном состоянии (далеко от поверхности).Для этого ключ К2 замыкается, и синусоидальное напряжение с генератора подается напьезовибратор и одновременно в качестве опорного напряжения на синхронныйдетектор. Колебания кантилевера приводят к тому, что ток фотодиода будет содержатьпеременную составляющую на частоте возбуждения.

С помощью ЦАП-Г формируетсяпилообразное управляющее напряжение, которое перестраивает частоту генератора ввыбранном оператором диапазоне. Напряжение с фотодиода усиливаетсяпредварительным усилителем и подается на синхронный детектор. Амплитуда и фазасигнала (синхронно с напряжением ЦАП-Г) записываются с помощью АЦП в памятькомпьютера. Затем АЧХ и ФЧХ характеристики визуализируются на экране мониторасредствами компьютерной графики.99ФДПУК5ЛазерЦАП - UΣПВК1К3ВРЦАП -SetК2АЦПСД“Z”У3ЦАП - ШДУ4ЦАП - XУ5ЦАП - YССГК4ЦАП - ГУ2ЦАП - ZРис. 95. Упрощенная схема системы управления АСМ, ЭСМ, МСМАСМ изображения поверхности в бесконтактном и "полуконтактном" режимахколебаний кантилевера формируются следующим образом.

С помощью генератора (Г)задается частота вынужденных колебаний кантилевера вблизи резонанса. Амплитудаэтих колебаний детектируется с помощью синхронного детектора, и напряжение U,пропорциональное амплитуде, поступает на вход схемы сравнения (СС). На другойвход схемы сравнения подается задаваемое оператором с помощью ЦАП-Setнапряжение U0, соответствующее амплитуде колебаний, которую должнаподдерживать система обратной связи (U0 < U).

При замыкании петли обратной связисканер будет пододвигать образец к зонду до тех пор, пока амплитуда колебанийкантилевера не уменьшится настолько, что напряжение U станет равным U0. Присканировании образца амплитуда колебаний поддерживается на заданном уровне, иуправляющее напряжение в цепи обратной связи записывается в качестве АСМизображения в памяти компьютера. Как было показано выше, амплитуда колебанийуменьшается за счет сдвига АЧХ, обусловленного градиентом силы взаимодействия100Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопиизонда с поверхностью.

Поэтому АСМ изображение, получаемое при сканированииобразца в режиме постоянной амплитуды колебаний кантилевера, представляет собойповерхность постоянного градиента силы, которая, в отсутствие электрических имагнитных взаимодействий, определяется силами Ван-дер-Ваальса и с большойточностью совпадает с рельефом поверхности. Одновременно с рельефом поверхностичасто регистрируют фазу колебаний кантилевера. Это позволяет строить АСМизображения фазового контраста и анализировать упругие свойства поверхности при"полуконтактном" режиме колебаний кантилевера.Исследования магнитных образцов проводятся с помощью специальных зондовс магнитным покрытием.

Для получения магнитных изображений применяетсядвухпроходная методика. В каждой строке сканирования на первом проходерегистрируется рельеф поверхности в "полуконтактном" режиме колебанийкантилевера. На втором проходе обратная связь разрывается, и при сканировании спомощью ЦАП-Z зондовый датчик проводится над образцом на некоторой высоте потраектории, повторяющей рельеф данного участка поверхности. Поскольку среднеерасстояние между зондом и образцом в каждой точке постоянно, изменения амплитудыи фазы колебаний кантилевера будут связаны только с изменением градиентамагнитной силы, действующей между зондом и поверхностью.Использование проводящих зондов позволяет исследовать локальныеэлектрические свойства образцов методом ЭСМ. В этом случае переменноенапряжение с генератора (Г) и постоянное напряжение с ЦАП-U суммируются иподаются на зонд. Образец заземляется с помощью ключа К1.

Колебания кантилеверавозбуждаются под действием периодической электрической силы между зондом иобразцом. Амплитуда и фаза колебаний на частоте возбуждения и на удвоенной частотедетектируются с помощью синхронного детектора. При исследовании неоднородностейэлектрического взаимодействия зонда с образцом также применяются двухпроходныеметодики. На первом проходе регистрируется рельеф данного участка поверхности. Навтором проходе зондовый датчик движется по траектории, соответствующей рельефу,на некотором расстоянии над поверхностью. При этом изменение амплитуды сигнала сфотодиода на удвоенной частоте записывается в память компьютера как распределение'производной электрической емкости системы зонд-образец C z ( x , y ) .

Для определениялокального потенциала поверхности методом Кельвина в каждой точке сканированияпостоянная составляющая напряжения изменяется с помощью ЦАП-U до тех пор, покаамплитуда колебаний на частоте возбуждения (анализируемая компьютером) не станетравной нулю. Соответствующее данному условию напряжение записывается в памятьдля формирования файла распределения поверхностного потенциала ϕ ( x , y ) .1012.5. Ближнепольная оптическая микроскопияТрадиционные методы получения оптических изображений объектов имеютсущественные ограничения, связанные с дифракцией света.

Одним изосновополагающих законов оптики является существование так называемогодифракционного предела, который устанавливает минимальный размер (R) объекта,изображение которого может быть построено оптической системой при использованиисвета с длиной волны λ:R≈λ2n,где n - показатель преломления среды.

Для оптического диапазона длин волнпредельный размер составляет величину порядка 200÷300 нм. В ближнепольнойоптической микроскопии используются другие принципы построения изображенияобъекта, которые позволяют преодолеть трудности, связанные с дифракцией света, иреализовать пространственное разрешение на уровне 10 нм и лучше.Ближнепольный оптический микроскоп (БОМ) был изобретен Дитером Полем(лаборатория фирмы IBM, г. Цюрих, Швейцария) в 1982 году сразу вслед заизобретением туннельного микроскопа.

В основе работы данного прибораиспользуется явление прохождения света через субволновые диафрагмы (отверстия сдиаметром много меньше длины волны падающего излучения).P0(а)λ02а2a<<λ02(б)E = constРис. 96. (а) - Прохождение света через отверстие в экране с субволновой апертурой.(б) - Линии постоянной интенсивности оптического излучения в областисубволнового отверстияПри прохождении света через субволновое отверстие наблюдается рядособенностей [47,48].

Электромагнитное поле в области диафрагмы имеет сложнуюструктуру. Непосредственно за отверстием на расстояниях Z < 100 а располагается такназываемая ближняя зона, в которой электромагнитное поле существует, в основном, в102видеГлава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопииэванесцентных(нераспространяющихся)мод,локализованныхвблизиповерхности диафрагмы. В области расстояний Z > 100 a располагается дальняя зона, вкоторой наблюдаются лишь излучательные моды. Мощность излучения за субволновойдиафрагмой в дальней зоне может быть оценена по следующей формуле [48]:Ptr =128 4 6k a W027π,где k – волновой вектор, W0 – плотность мощности падающего излучения.Оценки показывают, что для излучения с длиной волны порядка λ = 500 нм идиафрагмы с отверстием ~ 5 нм мощность излучения в дальней зоне составляет попорядку величин 10-10 от мощности падающего излучения.

Поэтому, на первый взгляд,кажется, что использование малых отверстий для построения растровых оптическихизображений исследуемых образцов практически невозможно. Однако, если поместитьисследуемый объект непосредственно за отверстием в ближней зоне, то вследствиевзаимодействия эванесцентных мод с образцом часть энергии электромагнитного поляпереходит в излучательные моды, интенсивность которых может бытьзарегистрирована оптическим фотоприемником. Таким образом, ближнепольноеизображение формируется при сканировании исследуемого образца диафрагмой ссубволновым отверстием и регистрируется в виде распределения интенсивностиоптического излучения в зависимости от положения диафрагмы I ( x , y ) .