Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твёрдого тела (1027497), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Пушкин, В.Н. Тронин, И.В. Тронин, В.И. Троян, Н.В. Скородумова, B. Johansson // Письма в ЖЭТФ86 (2007)с.450.202I 0 и V0– туннельныйток и напряжение, определяющие расстояниемежду зондом и поверхностью и остающиеся постоянными присканировании всего образца в режиме постоянного тока обратнойсвязи.
Используя интегральное уравнение (5.10), из измеренныхметодом СТС туннельных ВАХ можно получить зависимость лоGкальной плотности состояний образца от координаты ρ s (ε , r ) сточностью до некоторой величины А, в свою очередь также являюGщейся функцией r . Поэтому определение туннельной плотностисостояний напрямую из эксперимента оказывается невозможно.Однако в том случае, когда плотность электронных состояний вычислена в рамках определенной модели, то выражение (5.10) позволяет определить параметры модели из сравнения экспериментальGных и расчетных значений dI / dV V =0 ( r ) .Метод СТМ также может использоваться для определения локальной работы выхода поверхности образца. Действительно, работа выхода образца ϕ s определяет высоту потенциального барьера ивходит в выражение для постоянной затухания в вероятности туннелирования.
Определить ее значение можно, если измерить экспериментальную зависимость туннельного тока I при некотором фиксированном напряжении V от расстояния между зондом и образцомd при известном значении работы выхода материала зонда ϕ t . Тогда наклон графика I (d ) , построенного в двойном логарифмическом масштабе, будет пропорционален квадратному корню от работы выхода:2 m(ϕ s + ϕ t + eV )d ln I=−.dd=(5.11)Примеры использования метода СТМ для исследования наноструктур и поверхности твердого тела приведены в разделе 5.5.5.3. Аппаратура для СТМСхема сканирующего туннельного микроскопа представлена нарис.5.14 Зонд микроскопа укрепляется на держателе, размещенномна пьезокерамическом сканере, обеспечивающем перемещение зон-203да в трех направлениях.
Напряжение V x и V y , подаваемое на пьезокристаллы, управляет сканированием зонда в плоскости поверхности образца, а напряжение V z , подаваемое на выходе цепи обратной связи и определяемое туннельным током и коэффициентомобратной связи, задает перемещение зонда в перпендикулярном кповерхности направлении.Рис. 5.14. Схематическое устройство сканирующего туннельного микроскопа 53) иобщий вид СВВ системы Omicron AFM/STM LF1 в Научно-образовательном центре “Физика твердотельных наноструктур» Нижегородского государственногоуниверситетаОдин из вариантов устройства системы сканирования, основанной на использовании трубчатого прьезопривода, представлен нарис.5.15.
В данной схеме зонд крепится на основание пьезокерамической трубки, на внешнюю и внутреннюю поверхности которойнапылены металлические электроды. Внутренний электрод является сплошным, в то время как внешний разделен на четыресимметричных относительно оси трубки части. Пьезокерамикаобладает свойством расширения или сжатия под действиемприкладываемого к ней напряжения. Сканирование в плоскости(x,y) осуществляется отклонением пьезокерамической трубки приподаче разноименного напряжения на противоположные частивнешнего электрода, а перемещение зонда по оси z – сжатием илирастяжением трубки вдоль ее оси при подаче одинаковогонапряжения на все четыре внешних электрода относительновнутреннего электрода.53)S.F.
Alvarado // Surface Review and Letters, 2 (1995) p.607.204Рис.5.15. Схематическое изображение трубчатого пьезокерамического сканера СТМ. Навнешнюю и внутреннюю стороны пьезокерамической трубкинанесены металлические электроды. Внешний электрод разделен на четыре равные частивдоль трубки. Прикладывая одинаковое напряжение на все четыре внешних электрода относительно внутреннего электрода, засчет пьезоэффекта можно изменять длину пьезокерамическойтрубки.
Прикладывая различноепо знаку напряжение (+V и –V) кпротивоположным частям внешнего электрода, можно заставитьтрубку изгибаться в ту или инуюсторону за счет сжатия одной еестороны и растяжения другой взависимости от знака прикладываемого напряжения 54)Устройство сканирования СТМ должно удовлетворять следующим требованиям:1) диапазон сканирования в плоскости (x,y) ~1 мкм с точностьюзадания перемещения ~0.1 Å;2) диапазон сканирования в направлении z ~1 мкм с точностью~0.01 Å;3) возможность грубого наведения зонда с точностью ~0.1 мкм;4) высокая механическая резонансная частота и низкая добротность узлов системы сканирования и держателя образца дляуменьшения шумов.В качестве пьезокерамики в СТМ используют цирконат. К наиболее существенным недостаткам пьезокерамической системы сканирования является наличие гистерезиса при прямом и обратномпроходе сканирования, а также тепловой дрейф.54)J.A.
Kubby, J.J. Boland // Surf.Sci. Rep. 26 (1996) p.61.205Отметим также, что сканирование может проводиться как зондом микроскопа при неподвижном образце, так и укрепленном напьезосканере образце при неподвижном зонде.Материалом зондов СТМ обычно служит проволока из платиныили платиноиридиевого сплава с диаметром ~0.5 мм. Использование более тонкой проволоки приводит к уменьшению ее жесткостии резонансной частоты, что повышает шумы и ухудшает разрешение прибора.
Нанометровый радиус закругления острия проволокиобычно достигается ее откусыванием обычными ножницами приодновременном растяжении вдоль проволоки. Помимо этого, используется электрохимическое травление зонда при его медленномвытаскивании из раствора электролита.Необходимой частью любого сканирующего зондового микроскопа также является система виброизоляции, обеспечивающаяуменьшение колебаний образца относительно иглы. В вакуумныхмикроскопах система виброизоляции построена на схеме электромагнитной подвески, в которой модуль сканирования, включающийукрепленный образец и зонд, оказывается практически полностьюмеханически изолированным от остальных частей прибора (за исключением контактных проводов).
Сама платформа микроскопаобычно также имеет пневматическую систему виброизоляции.Также рекомендуется установка самого прибора на отдельный фундамент, изолированный от пола лаборатории.В воздушных микроскопах используется более простая системавиброизоляции, которая может включать демпфирующие подушкии механические пружинные подвески, настроенные на подавлениеопределенных частот.При исследовании поверхности образца с атомным разрешением, а в особенности при измерении туннельных ВАХ и локальнойработы выхода ключевым аспектом является поддержание чистотыповерхности образца, поскольку любые адсорбированные на поверхности атомы изменяют ее локальные электронные характеристики.
Это заставляет с особой тщательностью контролировать состояние поверхности и с определенной осторожностью подходить кинтерпретации полученных зависимостей.2065.4. Физические основы АСММетод атомно-силовой микроскопии построен на том же принципе сканирования поверхности образца зондом микроскопа, однако вместо измерения туннельного тока в АСМ регистрируется силавзаимодействия атомов поверхности и острия. В силу этого методАСМ позволяет исследовать морфологию как проводящих, так инепроводящих образцов. Атомно-силовой микроскоп был изобретен Биннигом, Квоутом и Гербером в 1986 году [5].В зависимости от свойств образца характерные значения силы межатомного взаимодействия (межатомное отталкивание, вандер-ваальсовы силы, кулоновское взаимодействие, магнитное взаимодействие) составляют ~10-6 – 10-11 Н.
Для регистрации таких малых сил зонд микроскопа в виде острия укрепляется на тонкой балке (кантилевере), постоянная упругости которой должна составлятьk = dF / dz ~ F / z ~ 10 Н/м. Устройство такого зонда показано нарис.5.16, а. Под действием сил межатомного взаимодействия, определяющихся расстоянием между зондом и образцом, а также ихэлектрическими и магнитными свойствами, происходит притяжение или отталкивание укрепленного на кантилевере зонда, т.е.
егоотклонение от положения равновесия. Качественная зависимостьсилы Ван-дер-Ваальса от межатомного расстояния показана нарис.5.16, б. Когда зонд находится на достаточно большом расстоянии от поверхности, кантилевер слабо притягивается к образцу,вследствие взаимной поляризации. С уменьшением расстояния взаимная поляризация, а значит и притяжение усиливается до тех пор,пока расстояние не станет настолько малым, что электронные оболочки атомов зонда и поверхности начинают испытывать электростатическое отталкивание. Суммарная сила обращается в ноль нарасстоянии порядка длины химической связи, и при меньших расстояниях доминирует отталкивание.Диапазоны расстояний от зонда до поверхности, используемыедля получения АСМ-изображений, определяют режимы работымикроскопа: контактный режим, бесконтактный режим и полуконтактный режим (tapping mode).207абРис.5.16.
Схематическое изображение устройства зонда АСМ 55) (а) и качественная зависимость силы Ван-дер-Ваальса от величины межатомного расстояния (б).На зависимости отмечены диапазоны расстояний от зонда до поверхности образца,используемые для работы АСМ в контактном и бесконтактном режимах [5]В контактном режиме расстояние от зонда до поверхности образца составляет несколько ангстрем, и работа ведется в режимедействия сил отталкивания.
Для избежания повреждения («царапания») поверхности образца зондом в процессе сканирования коэффициент упругости кантилевера не должен превышать значениекоэффициента упругости межатомных связей на поверхности образца. В этом случае отталкивающее взаимодействие между зондоми образцом заставит кантилевер изгибаться, повторяя топографиюповерхности.Изображение поверхности может быть получено в одном издвух режимов: в режиме постоянной высоты и в режиме постоянной силы.
Эти режимы являются «аналогами» топографического итокового режимов СТМ. В режиме постоянной высоты фиксируется положение сканера, а топографическое изображение строится поотклонению кантилевера. Основным достоинством этого режимаявляется высокая скорость сканирования поверхности, а недостатком – невозможность исследовать образцы с большим изменениемрельефа поверхности. В режиме постоянной силы в ходе сканирования поддерживается постоянным отклонение кантилевера (т.е.значение суммарной силы, действующей на зонд) путем непрерывной подстройки высоты сканера с помощью системы обратной свя55)S.F.
Alvarado // Surface Review and Letters, 2 (1995) p.607.208зи. В этом случае топографическое изображение строится на основевертикальных перемещений сканера. Достоинством этого режимаявляется возможность измерения не только топографии поверхности, но и ряда других характеристик, например, силы трения илисопротивления растекания. Для измерения сопротивления растекания сканирование производится с использованием проводящегозонда, находящегося в контакте с поверхностью. К зонду относительно образца прикладывается напряжение и измеряется ток черезобразец в зависимости от положения зонда.
При постоянном сопротивлении контакта зонд-поверхность и заданном напряжении величина измеряемого тока пропорциональна локальному сопротивлению исследуемого образца. Недостатком режима постоянной силыявляется ограниченная скорость сканирования из-за конечного времени отклика системы обратной связи, а также невозможность исследовать достаточно мягкие образцы.Особым случаем использования контактного режима АСМ является методика наноиндентирования, позволяющая измерять локальную твердость образца с нанометровым разрешением. В этомрежиме используют специальные зонды – инденторы, представляющие собой алмазные или изготовленные из другого достаточнотвердого материала пирамидки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
