Метрология в нанотехнологиях (1027620), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Вследствие этого отталкивающая сила уравновешивает практически любую силу, которая пытается сблизить атомы друг с другом. Для АСМ это означает, что если измерительная консоль прижимает острие иглы к поверхности, то консоль скорее изогнется, чем ей удастся приблизить острие к атомам образца. Даже если изготовить очень жесткую консоль, чтобы приложить огромную силу к образцу, межатомное расстояние между острием и атомами образца уменьшится ненамного. Вероятнее всего деформируется поверхность образца.
Для контактного АСМ отталкивающая межатомная сила должна быть уравновешена другими усилиями. Это происходит благодаря наличию двух сил — капиллярной и консольной, Капиллярная сила — это воздействие на острие сканирующей иглы со стороны тонкого слоя влаги, обычно присутствующего на поверхностях, находящихся в обычной среде. Капиллярная сила возникает, когда адсорбированная на поверхности влага приподнимается вокруг острия (рис.
46). Оказываемое на острие сильное притягивающее воздействие (около 10 ' Н) удерживает его в контакте с поверхностью. Величина капиллярной силы зависит от расстояния между острием и образцом. Ввиду того, что острие находится в контакте с образцом, капиллярная сила должна быть постоянной, поскольку расстояние между острием и образцом фактически не изменяется. Другое условие, позволяющее считать капиллярную силу постоянной, это предположение о достаточной однородности слоя влаги. Воздействие со стороны самой измерительной консоли подобно усилию в сжатой пружине.
Величина и знак (отталкивающая или притягивающая) «консольной» силы зависит от отклонения консоли и ее константы упругости. Сила, прилагаемая измерительной консолью с я контактного АСМ, в отличие от капиллярной является переменной. Общее усилие, прикладываемое со стороны острия сканирующей иглы к образцу, это сумма капиллярной и Рис. 4б. скема возникновения консольной сил. Величина суммарной канизлярной силы силы варьируется от 10-' Н (когда измерительная консоль отводится от образца почти с таким же усилием, как вода притягивает острие к его поверхности) до более типичного рабочего диапазона в пределах 10-'-10-' Н.
В бесконтактном режиме, также известном как режим притяжения, АСМ отслеживает притягиваюшие ван-дер-ваальсовы силы между острием сканирующей иглы и образцом. Зазор между острием и образцом обычно составляет 5 — 10 нм. На таком расстоянии электронные орбитали атомов острия сканирующей иглы начинают синхронизироваться с электронными орбиталями атомов образца. В результате возникает слабое притяжение, потому что в любой момент времени атомы острия и образца поляризованы в одном и том же направлении.
В свободном пространстве эти атомы будут сближаться до тех пор, пока сильное электростатическое отталкивание, описанное выше, не станет преобладающим. Чаще всего бесконтактные АСМ конструируются для работы в динамическом режиме. В бесконтактном режиме работы АСМ суммарная сила между острием и образцом небольшая — обычно -10оо Н. Эта малая сила является преимуществом при исследовании мягких и упругих образцов.
Еще одно преимущество заключается в том, что такие образцы, как, например, кремниевые подложки не загрязняются при контакте с острием, При исследовании жестких образцов изображения, полученные в контактном и бесконтактном режимах, могут выглядеть одинаково. Однако если на поверхности жесткого образца лежат, к примеру, несколько монослоев конденсированной влаги, то эти изображения могут значительно различаться. АСМ, работающий в контакте, будет проникать через слой жидкости, отображая нижележащую поверхность, тогда как бесконтактный АСМ будет давать изображение поверхности слоя влаги (рис.
47). В отношении возбуждения вынужденных колебаний измерительной консоли АСМ различают два режима — статический и динамический. Если в измерительной консоли АСМ модулируют колебания, то такой режим называют динамическим, в противном случае — статическим. В статическом режиме силы взаимодействия между острием иглы и поверхностью образца вызывают отклонение измерительной консоли, изгибая ее до достижения статического равновесия.
В процессе сканирования образца (при движении острия над неподвижным образцом или образца под неподвижным острием) АСМ детектирует отклонения консоли, формируя набор данных о топографии одним из двух способов. В первом, называемом режимом постоянной высоты (его другое название — режим переменного отклонения), данные об изменениях положения консоли в пространстве могут быть непосредственно использованы для формирования образа топографии. Под постоянной высотой здесь подразумевается неизменность расстояния между зондируюшим узлом и образцом.
Режим постоянной высоты часто используется для получения изображений атомно-плоских поверхностей в атомном масштабе, где отклонения консоли и, следовательно, изменения прикладываемой силы всегда будут малыми. Режим постоянной высоты также важен для визуализации в реальном масштабе времени изменяющихся поверхностей„когда нельзя пренебречь высокой скоростью сканирования. Аналогичный метод построения изображений с таким же названием существует и у СТМ. В другом методе, который называют режимом постоянной силы, отклонение измерительной консоли б) используется в качестве входного параметра для системы обратной связи, которая поддерживает величину этого отклонения постоянной. В данном случае сканирующее устройство передвигается вверх и вниз по оси У в соответствии с текущими условиями микрорельефа поверхности образца, и на основании данных об этих перемещениях формируется изобра- Рис.
47. АСМ-профан ори наличии на поверхности влаги а — в бесконтактном; б — контактном режиме 124 125 жение топографии. Режим постоянной силы обычно наиболее предпочтителен в большинстве приложений: хотя скорость сканирования здесь ограничена скоростью реакции системы обратной связи, но общее воздействие, оказываемое на образец острием сканирующей иглы, хорошо контролируется. Действительно, при поддержании постоянного отклонения консоли суммарная сила, прикладываемая к образцу, остается постоянной.
Изображения, полученные в режиме постоянной силы, обычно достаточно легко интерпретировать как образы топографии. В процессе сканирования образца в динамическом режиме система обратной 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 устройства используются для визуализации топографии. При таком методе измеряется и визуализируется поверхность постоянного градиента сил. В качестве альтернативного метода можно получать образы поверхности переменного градиента сил, для чего необходимо просто отключить систему обратной связи. Подобно статическому режиму зти два метода обеспечивают, соответственно, легкость восприятия АСМ-изображения и высокую скорость сканирования.
Чувствительность схемы детектирования в дгунамическом режиме обеспечивает субангстремное вертикальное разрешение на изображениях. Для получения изображений поверхности образца можно использовать не только данные о перемещении сканирующего устройства (так называемой «запись по высоте»), но и об изменении в процессе сканирования амплитуды или частоты 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.
В табл, 13 дается сравнение основных режимов работы АСМ в их различных комбинациях 1159]. Таблица !3 Режимы работы атомно-силового микроскопа Статический Динамический Возможность опреде- лять площадь контакта Преимущества Контакт- ный Возможно повреждение повершюсти. Модуля- ция нарушает акте»и- онное взаимодействие Недостатки между острием и по- верхностью Работа без повреждения поверхности Преимущества Бескон- тактный Низкое силовое и про- странственное разреше- ние.
Подверженность температурному дрейфу Низкое пространствен- ное разрешение (-10 нм) Недостатки Качество результатов, которые можно получить на бесконтактном АСМ„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. Режим «обстукивания» по сути является реализацией контактного АСМ в динамическом режиме, образ действия которого Высокое латеральное разрешение.
Возможность определять деформацию в системе острие — поверхность Возможно повреждение поверхности. Низкое силовое разрешение (-1 нН). Подвержен- ность температурному дрейфу или модуль упругости. Высокое силовое разрешение (-0.001 нН). Незначительный температурный дрейф Работа без повреждения поверхности. Высокое силовое разрешение. Незначительный температурный дрейф 126 127 подобен бесконтактному. В режиме «обстукивания» измерительная консоль колеблется на своей резонансной частоте с высокой амплитудой порядка 100 нм. При каждом колебании острие касается образца в своей нижней точке (отсюда термин режим «обстукивания»). При работе в режиме «обстукивания» повреждение образца менее вероятно, чем в контактном, поскольку в процессе перехода к каждой последующей точке сканирования устраняются боковые (латеральные) силы (трение или протягивание) между образцом и острием. Однако вертикальные силы в режиме «обстукивания» должны быть значительно выше, чем капиллярная сила (1О ' Н), для того чтобы дать острию сканирующей иглы возможность проникать внутрь и выходить из водного слоя без задержки.
Эта вертикальная сила достаточно велика, чтобы деформировать поверхность мягких и упругих материалов, Поэтому изображения, полученные в режиме «обстукивания», часто представляют собой смесь топографии и упругих свойств поверхности образца [70]. 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].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
