Окрепилов В. - Стандартизация и метрология в нанотехнологиях (1027504), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Латеральло-силовой микроскоп (ЛСМ) — это контактный АСМ, отображающий латеральные (т. е. боковые) отклонения измерительной консоли (закручивание), которые возникают в ней в плоскости параллельной поверхности образца. С помощью ЛСМ возможна визуализация изменений поверхностного трения, являюшихся результатом негомогенности материала поверхности, а также для получения контрастных изображений любых поверхностей [5].
С созданием ЛСМ связано возникновение такой области исследований, как иалоелрибояогия: эта технология предоставляет исключительную возможность исследовать процессы трения и изнашивания на молекулярном уровне при взаимодействии как отдельных выступов микрорельефа, так и отдельных атомов или молекул. Как показано на рис. 48, латеральные отклонения консоли обычно возникают по двум причинам: изменение наклона поверхности и изменение ее фрикциоцных параметров (коэффициента трения).
В первом случае консоль может закручиваться, когда ей попадается постепенный наклон. Во втором случае сканируюшая Включ«нн ф~ 1 Ь,зи) Рис. 4о. Элементы ПСМ-профиля образца, отражающие прохождение сканирующей иглой участков с измененным наклоном поверхности и с отличающимся коэффициентом трения р, игла, пересекая некоторый участок, может испытать большее трение, вызывая тем самым и болыпее закручивание измерительной консоли. Чтобы разделить эти два эффекта, ЛСМ должен «уметь» одновременно считывать данные о латеральном и вертикальном отклонениях (т.
е. визуализировать топографию). Разновидностью АСМ является магнитио-силовая микроскопия (МСМ), которая позволяет получить информацию по магнитным доменам в пределах образца. Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) отображает пространственные вариации магнитных сил на поверхности образца. Особенностью конструкции МСМ является то, что острие сканируюшей иглы покрывается тонкой ферромагнитной пленкой (рис.
49). МСМ работает в бесконтактном режиме и детектирует изменения в резонансной частоте измерительной консоли, обусловленные изменениями магнитного поля в зазоре между острием сканирующей иглы и образцом. МСМ может визуализировать естественно встречающиеся и свободно записанные доменные структуры в магнитных материалах [5, 7]. Изображения, полученные с помощью МСМ, содержат информацию как о топографии, так и о магнитных свойствах поверхности. Какая информация преобладает на изображении, зависит 128 129 Рис.
49. Схема работы магнитно силового микроскопа )'улс. 50. Картографирование электростатических полей с помоиббю ЭСМ от величины расстояния между острием и поверхностью, пото- Маписпыс п крысы зо оы му что межатомная магнитная Образка ло«ои з р СИЛа Сущсетауст При бОЛЫПИХ За- зорах, чем это наблюдается для р Мапл п ру«лура ван-дер-ваальсовой силы. Если образна(ломанно л острие находится близко к поверхности (<1О им), то в режиме работы стандартного бесконтактного АСМ на изображении будет отражена преимущественно топография. При увеличении зазора между острием и образцом (примерцо до 30 — 300 им) влияние топографии снижается, и становятся видны магнитные эффекты. Анализируя ряд изображений, полученных при различной высоте острия иад поверхностью, можно успешно отделить магнитные эффекты от влияния топографии. Подобное поведение характерно также и для электростатических сил. В электростатическом силовом микроскоое (ЭСМ) напряжение прикладывается между острием и образцом, в то время как измерительная консоль движется иад поверхностью, не касаясь ее.
Консоль отклоняется, когда попадает иа статически заряженные области (рис. 50) Величина этого отклонения пропорциональна плотности заряда и может быть измерена стандартной системой. ЭСМ применяется для исследования распределения поверхностной плотности носителей заряда 151 Методы микроскопии повер- Э рнлс к принс и ы хностиых свойств используют облас и возможность отслеживания и регистрации амплитуды и частоты колебаний зонда (измерительиой консоли) в процессе сканирования. Устройства, реализующие такие методики, представляют собой АСМ, в конструкции которого предусмотрена возможность модуляции вынужденных колебаний в зонде или образце. Эти методы обычно позволяют одновременно с получением изображений топографии также регистрировать изменения механических свойств поверхности образца [5, 6, !2).
На рис. 51,а представлен вариант, когда АСМ работает в контактном режиме, и в измерительной консоли возбуждаются колебания с постоянной амплитудой А. С помогцью системы обратной связи отклонение консоли поддерживается постоянным; частота ее колебаний изменяется в соответствии с жесткостью сканируемого участка поверхности. Таким образом можно, например, выявлять разнородные включения в материале поверхности.
Аналогично, при поддержании постоянной частоты колебаний консоли и регистрации изменений их амплитуды возможна визуализация распределения вязких характеристик поверхности. При этом иа более вязких участках амплитуда будет меньше. Механические свойства поверхности можно исследовать также путем построения ее фазового образа (рис. 51,6). Для этого необходим АСМ, работающий в динамическом режиме. Как и в предыдущих случаях, в измерительной консоли или образце модулируются вынужденные колебания.
Система при этом сравнивает реальную частоту колебаний консоли с частотой сигнала, а) Часзоз а кол а ба н не Сван*нина Фаз )'слс 5Л Визуализация механических своиств поверхности. и — при отслеживании частоты колебании зонда (частота увеличивается на более жестких участках); б — при записи разности фаз частоты сигнала, прикладываемого для возбуждения колебаний, и частоты коле- баний зонда (построение фазового образа) $30 131 прикладываемого для возбуждения колебаний.
Изменения в сдвиге фаз между этими двумя сигналами будет отражать изменения механических свойств поверхности образца. С помощью сканирующей термаяьной минросионии (СТерМ) можно визуализировать локальные вариации теплофизических параметров поверхностей [5). Данны методика реализуется за счет использования терморезистивного зонда, работающего в одном из двух режимов — постоянного тока илн постоянной температуры. В первом случае электрическое сопротивление термочувствительного зонда изменяется вместе с изменением температуры в данной точке сканирования. Это регистрируется путем измерения падения напряжения при пропускании через зонд слабого постоянного тока, исключающего, однако, его нагрев.
При такой схеме работы картографируются температурные поля на сканируемой поверхности. В режиме постоянной температуры отслеживается тепловой поток от зонда к образцу при поддержании постоянной температуры зонда, что позволяет визуализировать локальные изменения теплопроводности поверхности образца, Набор данных составляется из значений напряжения, прикладываемого к зонду для его обогрева и изменяющегося в кюкдой точке сканирования в зависимости от теплопроводности материала образца.
ояизнояояьяая енаннрующая онтичесная миироснония (БСОМ) является особой разновидностью сканирующей зондовой технологии, в которой используется видимый свет )5). Другое название этой методики — сканирующая световая микроскопия. Традиционно разрешение оптических микроскопов ограничено длиной волны света — примерно половиной микрона. БСОМ улучшает разрешение оптического микроскопа на порядок. Зондом в БСОМ является «световая воронка», которой сканируют образец. Видимый свет исходит из узкого конца световой воронки диаметром 10-30 нм и попадает на детектор либо после отражения от образца, либо пройдя сквозь него. Интенсивность оптического сигнала регистрируется детектором в каждой точке измерений, а набор данных, считанных со всей сканируемой поверхности, составляет БСОМ-образ, С помощью БСОМ можно !32 формировать изображение поверхности в видимом свете с разрешением около 15 нм при условии, что расстояние между источником света и образцом очень мало — 5 нм.
Световая воронка и система поддержания постоянного расстояния между источником света и образцом — это две достаточно «тонкие» части БСОМ. Обычно световая воронка изготавливается нагреванием оптического волокна, протяжкой его до малого диаметра с проследующим скалыванием с одного конца. После этого на волокно для лучшей светопроводимости наносят слой металла (металлизируют). Другой способ изготовления световой воронки предусматривает высверливание небольшого отверстия в острие пустотелой сканирующей иглы АСМ и направление внутрь ее света. Разработка эффективной световой воронки в настоящее время является областью активных исследований.
БСОМ должен поддерживать расстояние между острием сканирующей иглы и образцом постоянным, чтобы получить простое оптическое изображение поверхности. Для этого могут быть использованы традиционные для АСМ методики поддержания постоянного отклонения измерительной консоли. Одной из эффектных СЗМ-технологий является нанолитография. Обычно СЗМ применяются для формирования изображения поверхности без ее повреждения. Однако АСМ или СТМ могут быть использованы для направленной модификации поверхности путем приложения либо повышенной нагрузки в случае АСМ, либо повышенных пульсаций тока в случае СТМ. Эта технология известна как нанолитография.
Большинство СТМ могут быть использованы и для нанолитографии, если они содержат устройства для генерации повышенных пульсаций тока. В случае АСМ необходимо, чтобы он имел возможность работать в контактном режиме. Кроме того, необходимым условием является контролируемое перемещения острия зонда по схеме, задаваемой оператором. В заключение, комментируя возможность элементного распознавания атомов, необходимо отметить, что в настоящее время никакая технология СЗМ не может позволить определить тип атома или молекулы при отсутствии другой информации. Тем не менее, 133 с помощью СЗМ можно проводить ограниченную идентификацию материалов. Выше уже обсуждалось использование для этих целей данных об электронной структуре.
Кроме того, сегодня резльностью является картографирование жесткости и вязкости поверхностей с использованием модуляционных силовых методов. С помощью ЛСМ можно также попытаться идентифицировать материалы, основываясь на различиях в их фрикционных свойствах. Например, сила трения острия сканирующей иглы по полимерной матрице и материалу заключенного в ней наполнителя будет различной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
