Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию (1027508), страница 20
Текст из файла (страница 20)
ЛСМ – это контактный АСМ, отображающий латеральные (т.е. боковые) отклонения измерительной консоли (закручивание), которые возникают в ней в плоскости, параллельной поверхности образца. С помощью97ЛСМ возможна визуализация изменений поверхностного трения, являющихся результатом негомогенности материала поверхности, а также дляполучения контрастных изображений любых поверхностей.Создание ЛСМ связано с возникновением такой области исследований, как нанотрибология: эта технология предоставляет исключительнуювозможность исследовать процессы трения и изнашивания на молекулярном уровне при взаимодействии как отдельных выступов микрорельефа,так и отдельных атомов или молекул.Режим спектроскопии. В режиме спектроскопии модулируетсятуннельное напряжение между образцом и иглой и регистрируется амплитуда отклика туннельного тока на эту модуляцию.
При этом постояннаясоставляющая туннельного напряжения остается неизменной, и обратнаясвязь поддерживает постоянное среднее значение туннельного тока. Такимобразом, результат измерения представляет собой производную dI / dU взаданной точке вольт-амперной характеристики. Поскольку форма вольтамперной характеристики определяется, в первую очередь, энергетическимспектром объемных и поверхностных электронных состояний иглы и образца, этот режим и получил название режима спектроскопии.В режиме спектроскопии, как и в режиме измерения локальной высоты барьера, важно, чтобы обратная связь успевала с высокой точностьюподдерживать постоянным среднее значение I (если усилитель работает нев логарифмическом режиме), поскольку на многих образцах изменениесреднего значения I из-за неровностей рельефа может привести к гораздобольшим отклонениям амплитуды колебаний туннельного тока, чем изменение свойств поверхности.Режим измерения жесткости.
В режиме измерения локальной жесткости сигнал модуляции подается на обкладки пьезотрубки. При этомигла кантилевера касается поверхности, и вибрация образца передаетсякантилеверу. Измеряемой величиной является амплитуда колебаний балкикантилевера. Коэффициент передачи колебаний образца в колебания балкикантилевера пропорционален отношению жесткости системы игла – поверхность в данной точке к жесткости балки. В одном предельном случаеабсолютно гибкого кантилевера с жесткой иглой на жестком образце, колебания пьезотрубки полностью передаются балке.
В другом предельномслучае очень жесткого кантилевера гибком или легком деформируемомобразце и/или при мягкой игле колебания трубки приводят лишь к деформации поверхности и иглы, тогда как балка остается неподвижной. Следу98ет помнить, что жесткость системы игла – образец зависит не только отмодулей Юнга соприкасающихся поверхностей, но и от геометрии, в частности, от радиусов кривизны. Наибольшая жесткость в области контактадостигается в случае поверхностей равных по величине кривизны, но противоположного знака, т.е. в случае контакта круглого острия иглы с круглой впадиной того же радиуса. Поэтому режим измерения локальной жесткости будет контрастировать ступеньки на образце, показывать небольшие бугорки как области с пониженной жесткостью, даже если они состоят из того же материала, что и весь образец.Режим снятия изображения сил.
Работа АСМ с использованиемобратной связи приводит к увеличению уровня шумов, частичной потереинформации о топографии поверхности или ограничению скорости сканирования. В некоторых случаях оказывается полезным использование режима сканирования, при котором обратная связь отключается, положениепьезосканера по Z фиксируется, а регистрируемым сигналом становитсянепосредственно сигнал рассогласования в фотодиоде. Это режим постоянной высоты (Z = const) .
В этом случае сила прижатия кантилевера к поверхности изменяется в процессе сканирования. Однако, если образец достаточно жесткий, получаемое изображение хорошо отражает топографиюповерхности. Используя результаты снятия зависимости прогиба кантилевера от расстояния между зондом и образцом, можно пересчитать регистрируемый ток в линейные размеры. Однако нужно помнить, что при больших отклонениях от нулевого положения зависимость разностного сигналарассогласования от перемещения зонда становится нелинейной. Примерный диапазон линейности зависит от кантилевера: чем короче кантилевер,тем меньше диапазон. Динамика отслеживания поверхности в этом режимеограничена частотными свойствами кантилевера, а не обратной связи. Резонансные частоты кантилеверов значительно выше характерной частотыобратной связи, которая составляет единицы килогерц.
Это дает возможность сканировать с более высокими скоростями.Режим регистрации ошибки обратной связи. Ошибка обратнойсвязи, возникающая при сканировании в режиме топографии, содержитдополнительную информацию о топографии. Она может быть использована для более точного восстановления рельефа. Однако этот режим можнорассматривать как промежуточный между режимом постоянной силы ипостоянной высоты, если отрегулировать скорость отработки обратной99связи так, чтобы она отслеживала пологие изменения рельефа и не успевала отслеживать крутые.
Тогда во время пересечения зондом небольших неоднородностей сканирование будет происходить при почти постояннойдлине пьезосканера. В результате на изображении будут слабо проявлятьсямедленные изменения рельефа и с высоким контрастом – резкие. Это может быть полезно для отыскания мелких неоднородностей на большом поле на фоне крупных пологих особенностей рельефа.Укрупненно в отношении возбуждения вынужденных колебаний измерительной консоли АСМ различают основные два режима – статический и динамический. Если в измерительной консоли АСМ модулируютколебания, то такой режим называют динамическим, в противном случае, –статическим.В статическом режиме силы взаимодействия между острием иглы иповерхностью образца вызывают отклонение измерительной консоли, изгибая ее до достижения статического равновесия.
В процессе сканированияобразца (при движении острия над неподвижным образцом или образцапод неподвижным острием) АСМ детектирует отклонения консоли, формируя набор данных о топографии одним из двух описанных выше способов: режимом постоянной высоты (его другое название – режим переменного отклонения) и в режиме постоянной силы.В динамическом режиме система АСМ модулирует механическиеколебания измерительной консоли на частоте, близкой к резонансной (типичные значения находятся в пределах от 30 до 300 кГц), с амплитудой внесколько нанометров.
Величина самой резонансной частоты зависит отприкладываемой внешней силы, и поэтому в процессе приближения остриясканирующей иглы к поверхности образца она изменяется, поскольку приэтом изменяется и величина Ван-дер-Ваальсовой силы. Отталкивающаясила стабилизирует упругую реакцию консоли и увеличивает резонанснуючастоту, тогда как при воздействии притягивающей силы наблюдается обратная картина.В процессе сканирования образца в динамическом режиме системаобратной связи АСМ передвигает сканирующее устройство вверх и вниз,сохраняя либо амплитуду, либо резонансную частоту измерительной консоли постоянной, что позволяет поддерживать постоянным и среднее расстояние между острием и образцом.
Как и при работе в статическом режиме постоянной силы, данные о передвижениях сканирующего устройстваиспользуются для визуализации топографии. При таком методе измеряется100и визуализируется поверхность постоянного градиента сил. В качествеальтернативного метода можно получать образы поверхности переменногоградиента сил, для чего необходимо просто отключить систему обратнойсвязи. Подобно статическому режиму эти два метода обеспечивают, соответственно, легкость восприятия АСМ изображения и высокую скоростьсканирования. Чувствительность схемы детектирования в динамическомрежиме обеспечивает субангстремное вертикальное разрешение на изображениях.Для получения изображений поверхности образца можно использовать не только данные о перемещении сканирующего устройства («записьпо высоте»), но и об изменении в процессе сканирования амплитуды иличастоты колебаний консоли. В случае «записи по амплитуде» или «по частоте» появляется возможность визуализировать распределение механических свойств по поверхности образца, что дает не менее ценную информацию, чем данные о его топографии.Сравнение основных режимов работы АСМ в их различных комбинациях приведено в табл.
2.2.Таблица 2.2Режимы работы атомно-силового микроскопаБесконтактныйНедостатки Преимущества НедостаткиКонтактныйПреимуществаВид режимаконтактностиВид режима статичностиСтатическийВысокое латеральное (боковое) разрешение. Возможность определять деформацию в системе острие – поверхностьВозможно повреждение поверхности. Низкое силовоеразрешение (~1 нН). ПодверженностьтемпературномудрейфуРаботабезповрежденияповерхностиДинамическийВозможностьопределятьплощадь контакта или модуль упругости. Высокое силовое разрешение (~0,001нН). Незначительный температурный дрейфВозможно повреждение поверхности.
Модуляция нарушает адгезионное взаимодействие между острием иповерхностьюРабота без посреждения поверхности. Высокое силовоеразрешение.Незначительныйтемпературный дрейфНизкое силовое пространст- Низкоепространственноевенное разрешение. Подвер- разрешение (~10 нм)женностьтемпературномудрейфу101Качество результатов, которые можно получить на бесконтактномАСМ, в значительной мере зависит от использования качественной измерительной консоли и сканирующей иглы.
Измерительная консоль для бесконтактного режима, как отмечалось, должна быть значительно жестче,чем консоль для контактного АСМ, чтобы в процессе своих осцилляций(колебаний) она случайно не коснулась поверхности. Более того, остраяигла для бесконтактного АСМ даже более важна, чем для контактного: приработе в бесконтактном режиме наклон кривой Ван-дер-Ваальсовых силпологий, поэтому с поверхностью образца будет взаимодействовать большее количество атомов острия.Режим «обстукивания» по сути является реализацией контактногоАСМ в динамическом режиме, образ действия которого подобен бесконтактному, – амплитуда и фаза колебаний кантилевера зависят от степенивзаимодействия поверхности и зонда в нижней точке колебаний кантилевера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
