ОНЭиНТ_Сидорова_Л4(6) (Лекции по ОНЭиНТ)

Московский  государственный  технический  университет  им.  Н.Э.  Баумана  Факультет:  Машиностроительные  технологии  (МТ)  Кафедра:  Электронные  технологии  в  машиностроении  (МТ  11)  Основы  наноэлектроники    и    нанотехнологий  Сидорова    Светлана    Владимировна  2015  Лекция  4  Методы  анализа  поверхности  Нанодиагностика  –  совокупность  специализированных  методов  исследования,  направленная  на  изучения  физико-­‐химических  свойств  наносистем,  наноматериалов,  анализ  наноколичеств  вещества,  измерения  количественных  параметров  с  наноточностью.

   Методы  анализа  поверхности  Если  бы,  —  говорит,  —  был  лучше  мелкоскоп,  который  в  пять  миллионов  увеличивает,  так  вы  изволили  бы,  —  говорит,  —  увидать,  что  на  каждой  подковинке  мастерово  имя  выставлено:  какой  русский  мастер  ту  подковку  делал.          Н.  Лесков  «Левша»        Спектральные  методы  анализа  поверхности  а)  методы,  основанные  на  электронном  облучении,    б)  методы,  основанные  на  облучении  фотонами,    в)  методы,  основанные  на  ионном  облучении.  Фотоэлектронная  спектроскопия  Электромагнитный  спектр  с  указанием  областей  энергий,  используемых  в  фотоэлектронной  спектроскопии.  Ультрафиолетовая  фотоэлектронная  спектроскопия  соответствует  налетающим  фотонам  с  энергией  10-­‐40  эВ  в  УФ-­‐области;  рентгеновская  электронная  спектроскопия  соответствует  рентгеновской  области  энергий  падающих  фотонов  1200-­‐1400  эВ.

 Фелдман  Л.,  Майер  Д.  Основы  анализа  поверхности  и  тонких  пленок:  Пер.  с  англ.  —  М.:  Мир,  1989.  —  344  с.  Рентгеновская  фотоэлектронная  спектроскопия  Фелдман  Л.,  Майер  Д.  Основы  анализа  поверхности  и  тонких  пленок:  Пер.  с  англ.  —  М.:  Мир,  1989.  —  344  с.  Рентгеновская  фотоэлектронная  Фотоэлектронная  спектроскопия  эмиссия    (внешний  фотоэффект)      1  —  рентгеновская  трубка;    2  —  образец;  3  —  электронный  монохроматор;    4  —  детектор;  5  —  защита  от  магнитного  поля  Земли.

 Рентгеновская  фотоэлектронная  спектроскопия  Общий  вид  спектров:  а  –  фотоэлектронов;  б  -­‐  рентгеновского  поглощения;  в  -­‐  рентгеновской  флуоресценции;  г  -­‐  оже-­‐электронов.    Оже-­‐электронная  спектроскопия    Оже-­‐эффект  –  эмиссия  электрона  из  атома,  происходящая  в  результате  безызлучательного  перехода  при  наличии  в  атоме  вакансии  на  внутренней  электронной  оболочке.

   Обнаружен  Пьером  Оже  (P.  V.  Auger)  в  1925  г.  Оже-­‐электронная  спектроскопия              -­‐  энергия  связи  электронов  на  уровнях  K,  L1,  L2.    Малая  глубина  анализа,  что  делает  его  пригодным  для  исследования  поверхности.        По  Оже-­‐спектрам  можно  определить  элементарный  состав  приповерхностных  слоев  твердых  тел,  получать  информацию  о  межатомных  взаимодействиях,  осуществлять  химический  анализ  газа.

       Детектируются  все  элементы  с  атомным  номером  выше  He.      Предел  детектирования  от  1  до  0,1  атомного  %.      Пространственное  разрешение  <=  100Å.  Оже-­‐электронная  спектроскопия  Схема  энергоанализатора  типа  “цилиндрическое  зеркало”:  1  –  образец,  2  –  внутренний  цилиндр,  3  –  внешний  цилиндр,  4  –  окна  для  входа  и  выхода  электронов,  5  –  коллектор,  6  –  магнитный  экран.

   Схема  растрового  оже-­‐спектрометра:    1  –  образец,  2  –  коллектор  для  сбора  вторичных  электронов,    3  –  энергоанализатор,  4  –  детектор  энергоанализатора,  5  –  электронно-­‐лучевая  трубка,  6  –  катод  электронной  пушки,  7  –  модулятор  электронной  пушки,  8  –  отклоняющие  пластины  электронно-­‐лучевой  трубки,  служащие  для  получения  растра,  9  –  экран  электронно-­‐лучевой  трубки.  Количественная  Оже-­‐спектроскопия  Метод  внешних  эталонов  Преимущества:  не  требуется  знание  сечения  ионизации  флюоресцентного  выхода,  поскольку  измеряются  Оже-­‐выходы  из  того  же  атома.    Метод  коэффициентов  Преимущества:  отсутствие  эталонов;  нечувствительность  к  шероховатости  поверхности.

   Недостаток:  менее  точный.    Методы  анализа  наноразмерных  материалов  1.  Зондовые  методы  микроскопии    2.  Сканирующая  электронная  микроскопия  3.  Просвечивающая  электронная  микроскопия  4.  Люминесцентная  микроскопия  5.  Дифракционные  методы  6.  Рентгеновская  спектроскопия  (начало  см.  Лекция  3)  7.  Электронная  спектроскопия  (начало  см.  Лекция  3)  8.  Терагерцовая  спектроскопия  9.  Фемто-­‐  и  наносекундная  спектроскопия  10. Рамановская  спектроскопия  11. Магнито-­‐резонансные  методы  12. Масс-­‐спектрометрия  13. Наногравиметрия  ЗОНДОВАЯ  МИКРОСКОПИЯ  Сканирующий  туннельный  микроскоп  (СТМ)  —  для  получения  изображения  используется  туннельный  ток  между  зондом  и  образцом,  что  позволяет  получить  информацию  о  топографии  и  электрических  свойствах  образца.

 Атомно-­‐силовой  микроскоп  (АСМ)  —  регистрирует  различные  силы  между   Сканирующий  ближнепольный  зондом  и  образцом.  Позволяет  микроскоп  (СБОМ)  —  для  получения  получить  топографию  поверхности  и   изображения  используется  эффект  её  механические  свойства.  ближнего  поля.  Сканирующая  зондовая  микроскопия        Сложенное  из  35  атомов  ксенона  на  пластинке  из  никеля  название  компании  IBM,  сделанное  сотрудниками  этой  компании  с  помощью  сканирующей  зондового  микроскопа  в  1989  году.

   Туннельная  микроскопия,  1981  г.    Для  оптической  техники  существует  ограничение:  минимальные  размеры  различимых  деталей  рассматриваемого  объекта  не  могут  быть  меньше,  чем  длина  волны  света,  используемого  для  освещения.    Дифракционный  предел  оптической  микроскопии:              где  d  —  латеральное  разрешение,  λ  —  длина  волны,  NA  —  числовая  апертура  объектива.      Подставив  в  эту  формулу  длины  волн  видимого  света  (500–800  нм)  и  наибольшее  значение  NA  на  воздухе  (0,95),  получим  максимально  достижимое  латеральное  разрешение  —  200  нм.      Туннельный  эффект  —  преодоление  квантовой  частицей  потенциального  барьера  в  случае,  когда  её  полная  энергия  (остающаяся  при  туннелировании  неизменной)  меньше  высоты  барьера.

 Это  явление  исключительно  квантовой  природы,  невозможное  и  даже  полностью  противоречащее  классической  механике.    Туннельная  микроскопия  Для  измерения  рельефа  проводящих  поверхностей  с  высоким  пространственным  разрешением.    Ток  1-­‐1000  пА.    Расстояние  1Å.    Возможность  исследования  только    проводящих  образцов.

   Невозможность    работы  в  жидкостях.      Туннельная  микроскопия  Схема  работы  СТМ:    а)  в  режиме  постоянной  высоты;  б)  в  режиме  постоянного  тока.    +  Более  быстро,  т.к.  не  требуется  +  Высокая  точность  измерения  дополнительных  вертикальных  нерегулярных  поверхностей.  передвижений.

 -­‐  Больше  требуется  времени  для  -­‐  Измерение  относительно  гладких  измерений.  поверхностей.  Атомно-­‐силовая  микроскопия,  1986  г.  График  зависимости  силы  Ван-­‐дер-­‐Ваальса  от  расстояния  между  кантилевером  и  поверхностью  образца  Кантилевер  –  консоль,  кронштейн  –  массивное  прямоугольное  основание,  размеры  которого  составляют  примерно  1,5×3,5×0,5  мм,  с  выступающей  из  него  балкой  (собственно  кантилевером),  шириной  порядка  0,03  мм  и  длиной  от  0,1  до  0,5  мм.

 Атомно-­‐силовая  микроскопия  а)                                                                                                                                                б)    АСМ-­‐профили  при  наличии  на  поверхности  влаги:    а)  в  бесконтактном  режиме;    б)  в  контактном  режиме.    Сканирующая  зондовая  микроскопия  СТМ                                                                                АСМ  В  СТМ  зондом  является  заостренная  проводящая  проволока,  а  сигналом  для  формирования  изображения  является  сила  туннельного  тока,  протекающего  между  иглой  и  образцом  и  зависящего  от  расстояния  между  иглой  и  поверхностью,  а  также  локальными  свойствами  поверхности.

 В  АСМ  в  роли  зонда  выступает  острие,  закрепленное  на  конце  микроскопической  балки  –  кантилевера.  Изображение  формируется  на  основе  данных  об  изгибе  кантилевера,  вызываемом  силами  взаимодействия  между  острием  и  поверхностью  образца.    Возможности  туннельной  и  атомно-­‐силовой  микроскопии    Графен  7×7  мкм.  Image  courtesy  Dr.

 Hannes  C.  Schniepp,  the  College  of  William  &  Mary,  Williamsburg,  United  States.  АСМ-­‐изображение  клеток  крови  человека.  АСМ-­‐изображение  участка  поверхности  чипа.  Изображения  взяты  с  сайта  www.ntmdt.ru  Две  бактерии  Helicobacter  pylori,  в  процессе  образования  кокковидной  формы.  Шлифованный  кремний,  покрытый  полимером.  7.2x7.2  мкм  Изображение  Mерлин  Монро,  полученное  точечным  окислением  титана  методом  анодно-­‐окислительной  литографии.  Изображение  7×11  мкм  получено  сотрудниками  компании  НТ-­‐МДТ,  Россия.  Сканирующая  зондовая  микроскопия  СТМ                                        АСМ  (контакт)  • • • • В  основе  работы  –  квантовое  • явление  туннелирования  электронов  через  тонкую  непроводящую  прослойку,  при  котором  сила  туннельного  тока  экспоненциально  зависит  от  толщины  прослойки.

 • Дает  реальное  атомарное  разрешение  на  некоторых  объектах.  Как  правило,  атомарное  разрешение  достигается  при  съемке  в  вакууме.  Контраст  отображает  плотность  электронных  состояний  на  поверхности.  Развертка  напряжения  смещения  дает  возможность  получать  локальные  вольтамперные  • характеристики  и  исследовать  электронную  структуру  образцов.  Зонд  поддерживается  на  расстоянии  нескольких  ангстрем  от  поверхности.  Игла  находится  в  контакте  с  поверхностью  и  действует  с  силой  от  10  до  1000  нН  на  образец.

 Имеет  модификацию,  называемую  режимом  постоянной  высоты,  в  которой  в  основу  контраста  ложится  отклонение  кантилевера.  Но  более  распространен  режим  постоянной  силы,  в  котором  электроника  поддерживает  отклонение  кантилевера  постоянным,  двигая  образец  относительно  зонда  вверх  и  вниз.  Эти  перемещения  и  формируют  контраст.  Очень  чувствительна  к  присутствию  слоев  адсорбатов  на  поверхности.  ЭЛЕКТРОННАЯ  МИКРОСКОПИЯ     Электронная   микроскопия   —   это   метод   исследования   структур,  находящихся   вне   пределов   видимости   светового   микроскопа   и   имеющих  размеры  менее  одного  микрона  (от  1  мкм  до  1—5  Å).     Электронный   луч   –   направленный   пучок   ускоренных   электронов,  применяемый   для   просвечивания   образцов   или   возбуждения   в   них   вторичных  излучений  (например,  рентгеновского).