Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию (1027508), страница 22
Текст из файла (страница 22)
АСМ/МСМ-приборы могутбыть сочленены с СТМ и в этом случае смонтированы в камере сверхвысокого вакуума, что обеспечивает получение изображений со сверхвысокой разрешающей способностью (иногда даже в пределах размеров атомов106например графит, в воздушной среде) не только для образцов, обладающихэлектропроводностью (как в СТМ), но и для диэлектрических материалов.С помощью МСМ можно изучать структуру магнитных битов информациина дисках и других магнитных носителях путем непосредственного контроля качества считывающей головки и запоминающей среды. Теоретически возможность с помощью МСМ восстанавливать информацию с жестких дисков доказана, однако на практике возникает ряд трудностей.
Вопервых, размер одного «скана» составляет обычно 10¯100 мкм. Поэтомупосле получения серии данных по магнитному рельефу различных участков дисков эти данные необходимо «сшить» для получения полного изображения. Во-вторых, перед записью на диск данные подвергаются преобразованию (RLL-кодирование). Вариантов такого кодирования существуеточень много, и в жестких дисках разных моделей даже одного производителя они могут отличаться. Поэтому задача извлечения информации из полученного магнитного рельефа поверхности также не отличается простотой.
Тем не менее, разработав специальное программное обеспечение ииспользуя высокие вычислительные мощности современных компьютеров,такую задачу вполне возможно решить.Традиционные методы получения оптических изображений объектовимеют существенные ограничения, связанные с дифракцией света. Однимиз основополагающих законов оптики является существование так называемого дифракционного предела, который устанавливает минимальныйразмер (R) объекта, изображение которого может быть построено оптической системой при использовании света с длиной волны λ :R≈λ2nили R = λ A ,2(2.4)где A – числовая апертура объектива; n - показатель преломления среды.Для освещения объекта наиболее часто применяют белый свет, длину волны которого можно принять l ≈ 550 нм.
Максимальное значение числовой апертуры, достигаемое при использовании иммерсии, составляетА = 1,44. В соответствии с условием (2.4) разрешающая способность оптического микроскопа будет равна R ≈ 200 нм.Если освещать образец через диафрагму с диаметром отверстия d,намного меньшим длины волны падающего света, и регистрировать интенсивность проходящего через объект или отраженного от него излучения, торазмер диафрагмы будет определять разрешение прибора. Так, для107R<<550 нм получено разрешение около 50 нм, что существенно выше, чему оптического микроскопа.14 июля 2004 года корпорация IBM (США) сделала революционныйшаг на пути создания систем магниторезонансной визуализации нанометровых объектов, непосредственно зарегистрировав ничтожный магнитныйсигнал от единичного электрона, находящегося в глубине твердотельногообразца. Прибор отнесен к магниторезонансной силовой микроскопии(МРСМ).
Это достижение является важнейшим шагом к созданию микроскопа, позволяющего получить трехмерные изображения с атомным разрешением. Появление подобного прибора имеет огромное значение дляизучения разнообразных объектов – от белков и лекарственных средств доинтегральных микросхем и промышленных катализаторов, – пониманиефункционирования которых требует детального знания атомной структуры.Группе ученых под руководством Д. Ругара удалось повысить чувствительность магниторезонансных методов примерно в 10 миллионов разпо сравнению с медицинскими магниторезонансными установками, применяемыми для исследования внутренних органов человека.
Такое повышение чувствительности позволяет распространить область применимостимагниторезонансной визуализации на нанометровые масштабы.Основной элемент магниторезонансного микроскопа – миниатюрнаяконсоль, крошечный кремниевый кронштейн в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Кронштейн колеблется с частотой около 5000 Гц. А к егоконцу прикреплен магнит. Одиночные («неспаренные») электроны и атомные ядра ведут себя подобно крохотным стержневым магнитам.
Это явление обусловлено фундаментальным свойством электронов, которое называется «спином». Так же, как притягиваются и отталкиваются два стержневых магнита, магнит на консоли магниторезонансного силового микроскопа взаимодействует со спинами частиц образца. Под воздействием высокочастотного магнитного поля, настроенного в резонанс с частотой собственной прецессии исследуемого спина этот спин при колебаниях консоли датчика меняет свою ориентацию на противоположную и обратно.
Хотя сила магнитного взаимодействия между магнитом датчика и спиномчрезвычайно мала (порядка 10…18 Н), консоль датчика настолько чувствительна, что изменение спина вызывает заметное изменение частоты еесобственных колебаний.108В то время как медицинские магниторезонансные установки способны регистрировать группы из не менее чем триллиона спинов протонов,исследователям IBM удалось уловить значительно более слабый сигнал отединичного электронного спина. Ученые также продемонстрировали пример простейшей (одномерной) визуализации структуры с разрешением25 нм – примерно в 40 раз лучше, чем у лучших существующих магниторезонансных микроскопов традиционной конструкции.В электростатическом силовом микроскопе (ЭСМ) напряжениеприкладывается между острием и образцом, в то время как измерительнаяконсоль движется над поверхностью, не касаясь ее (рис.
2.41). Величинаэтого отклонения пропорциональна плотности заряда и может быть измерена стандартной системой.В электростатическом силовом микроскопе вибрирующий зонд несетэлектрический заряд, а амплитуда его вибраций зависит от электростатических сил, возникающих в результате взаимодействия с зарядами на поверхности образца. С помощью такого микроскопа можно выявлять картину распределения электрофизических свойств различных материалов, например, концентрации легирующей примеси в кремнии. (Напомним, чтолегирование полупроводников применяется для изменения соотношениямежду концентрациями подвижных отрицательных и положительных носителей заряда – электронов и дырок соответственно).
Для этого к зазорумежду зондом электростатического силового микроскопа и исследуемойповерхностью прикладывается напряжение, которое смещает электроныили дырки под зондом, оставляя там заряженную область, электростатиче109ски взаимодействующую с острием. Последовательные перемещения острия зонда позволяют точно и с высоким разрешением измерить величинузаряда, а, следовательно, и количество смещенных электронов или дырок,соответствующее концентрации легирующих атомов. Острие и образецЭСМ рассматриваются как конденсатор, и измеряется изменение емкостидо 10-22 Ф с полосой пропускания 1 Гц.
Микроскоп позволяет изучать изменение (распределение) потенциала вдоль поверхности образца бесконтактным методомМетоды микроскопии поверхностных свойств используют возможность отслеживания и регистрации амплитуды и частоты колебанийзонда (измерительной консоли) в процессе сканирования. Устройства, реализующие такие методики, представляют собой АСМ, в конструкции которого предусмотрена возможность модуляции вынужденных колебаний взонде или образце.
Эти методы обычно позволяют одновременно с получением изображений топографии также регистрировать изменения механических свойств поверхности образца.На рис. 2.42, а представлен вариант, когда АСМ работает в контактном режиме, и в измерительнойконсоли возбуждаются колебания с постоянной амплитудойА. С помощью системы обратной связи отклонение консолиподдерживается постоянным,Рис.
2.42. Визуализация механических частота ее колебаний изменяетсвойств поверхности:ся в соответствии с жесткостьюа – при отслеживании частоты колебаний сканируемого участка поверхзонда (частота увеличивается на более же- ности. Таким образом, можно,стких участках); б – при записи разностинапример, выявлять разнородфаз частоты сигнала, прикладываемого длявозбуждения колебаний, и частоты колеба- ные включения в материале поверхности. Аналогично приний зонда (построение фазового образа)поддержании постоянной частоты колебаний консоли и регистрации изменений их амплитуды возможна визуализация распределения вязких характеристик поверхности.
Приэтом на более вязких участках амплитуда будет меньше.Механические свойства поверхности можно исследовать также путем построения ее фазового образа (рис. 2.42, б). Для этого необходимАСМ, работающий в динамическом режиме. Как и в предыдущих случаях,110в измерительной консоли или образце модулируются вынужденные колебания. Система при этом сравнивает реальную частоту колебаний консолис частотой сигнала, прикладываемого для возбуждения колебаний.
Изменения в сдвиге фаз между этими двумя сигналами будут отражать изменения механических свойств поверхности образца.С помощью сканирующей термальной микроскопии (СТерМ)можно визуализировать локальные вариации теплофизических поверхностей. Данная методика реализуется за счет использования терморезистивного зонда, работающего в одном из двух режимов – постоянного тока илипостоянной температуры.В первом случае электрическое сопротивление термочувствительного зонда изменяется вместе с изменением температуры в данной точке сканирования. Это регистрируется путем измерения падения напряжения припропускании 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 отзонда 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 каждой точкесканирования в зависимости от теплопроводности материала образца.Зонд растрового термического микроскопа является, пожалуй, самымкрошечным в мире термометром: он позволяет измерять поверхностныеизменения температуры в десятитысячную долю градуса на длине несколько десятков нанометров. Зонд представляет собой вольфрамовуюпроволочку до 30 нм в поперечнике, покрытую никелем, который отделенот вольфрама слоем диэлектрика везде, кроме самого кончика. Такойвольфрамо-никелевый зонд работает как термопара, генерируя напряжение, пропорциональное его температуре. Когда нагретый кончик зондаприближают к исследуемому (твердотельному) образцу, являющемусялучшим проводником тепла, чем воздух, теплопотери кончика острия возрастают.
Последний охлаждается, термоэдс термопары уменьшается пропорционально изменению ширины зазора. Наоборот, когда зонд удаляетсяот образца, термоэдс увеличивается. Таким образом, потери тела выявляюттопографию исследуемой поверхности точно так же, как туннельный токили силы межатомного отталкивания выполняют эту роль в микроскопах111ближнего поля. Растровый термический микроскоп применяют для картографирования температуры в живых клетках или для измерения очень малых, практически незаметных скоростей истечения потоков жидкости илигаза.Одной из эффектных СЗМ-технологий является нанолитография.Нанолитография – это совокупность методов и технологий, позволяющихнаносить на поверхность рисунок субмикронных или нанометровых размеров.
Обычно СЗМ применяются для формирования изображения поверхности без ее повреждения. Однако АСМ или СТМ могут быть использованы для направленной модификации поверхности путем приложениялибо повышенной нагрузки в случае АСМ, либо повышенных пульсацийтока в случае СТМ. Эта технология известна как нанолитография.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
