Нанометрология (1027621), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

Схема расположенияэлектродов представлена на рис. 2.20.Материал трубки имеет радиальное наРис. 2.20. Схема расположения элекправление вектора поляризации. Внуттродов трубчатого пьезоэлементаренний электрод обычно сплошной.Внешний электрод сканера разделен по образующим цилиндра на четыресекции. При подаче противофазных напряжений на противоположные секции внешнего электрода (относительно внутреннего) происходит сокращение участка трубки в том месте, где направление поля совпадает с направлением поляризации, и удлинение там, где они направлены в противопо78ложные стороны. Это приводит к изгибу трубки в соответствующем направлении.

Таким образом, осуществляется сканирование в плоскостиX , Y . Изменение потенциала внутреннего электрода относительно всехвнешних секций приводит к удлинению или сокращению трубки по оси Z .Таким образом, можно реализовать трехкоординатный сканер на базе одной пьезотрубки.

Реальные сканирующие элементы имеют часто более сложную конструкцию, однако принципы их работы остаются неизменными.Широкое распространениеполучили также сканеры на основе биморфных пьезоэлементов.Биморф представляет собой двепластины пьезоэлектрика, склеенные между собой таким образом, что вектора поляризации вкаждой из них направлены в про- Рис. 2.21. Устройство биморфного пьезоэлементативоположные стороны (рис.2.21). Если подать напряжение на электродыбиморфа, то одна изпластин будет расширяться, а другая сжиматься, что приведет кизгибу всего элемента.В реальных конструкциях биморфных элементов создается разность потенциалов между внутренним общим Рис. 2.22. Трехкоординатный сканер на трех биморфи внешними электрода- ных элементахми так, чтобы в одномэлементе поле совпадало с направлением вектора поляризации, а в другомбыло направлено противоположно.Изгиб биоморфа под действием электрических полей положен в основу работы биоморфных пьезосканеров.

Объединяя три биоморфных79элемента в одной конструкции, можно реализовать триод на биоморфныхэлементах (рис. 2.22).В зависимости от измеряемого параметра – туннельного тока илирасстояния между иглой и поверхностью – возможны два режима работысканирующего туннельного микроскопа.

В режиме постоянной высотыострие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, аток туннелирования изменяется взависимостиотрасстояния до него (рис. 2.23, а).Информационнымсигналом в этомРис. 2.23. Режимы работы СТМслучаеявляетсявеличина тока туннелирования, измеренная в каждой точке сканированияповерхности образца. На основе полученных значений туннельного токастроится образ топографии.

В режиме постоянного тока система обратнойсвязи микроскопа обеспечивает постоянство тока туннелирования путемподстройки расстояния «игла-образец» в каждой точке сканирования(рис. 2.23, б). Она отслеживает изменения туннельного тока и управляетнапряжением, приложенным к сканирующему устройству, таким образом,чтобы компенсировать эти изменения. Другими словами, при увеличениитока система обратной связи отдаляет зонд от образца, а при уменьшении –приближает его.

В этом режиме изображение строится на основе данных овеличине вертикальных перемещений сканирующего устройства. Оба режима имеют свои достоинства и недостатки. В режиме постоянной высотыможно быстро получить результаты, но только для относительно гладкихповерхностей.

В режиме постоянного тока можно с высокой точностьюизмерять нерегулярные поверхности, но измерения занимают больше времени.При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности по методу постоянной высоты Z = const . В этом случае зонд перемещается надповерхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменениятуннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности.

Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со ско80ростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатываеттолько плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями,происходящими на поверхности, практически в реальном времени.Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долейнанометра. В боковых направлениях разрешение зависит от качества зондаи определяется в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшое скопление атомов, размеров многоменьших, чем характерный радиус кривизны острия.

Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающий над поверхностьюзонда, находится ближе кповерхности на расстояние, равное величине периодакристаллическойрешетки. Поскольку зависимость туннельного токаот расстояния экспоненциальная, то ток в этом слуРис. 2.24. Реализация атомарного разрешения в СТМчае течет в основном между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда (рис.2.24). С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до атомного размера.Интерес к СТМ объясняется его уникальным разрешением, позволяющим проводить исследования на атомном уровне. При этом для работымикроскопа не обязательно требуется высокий вакуум, в отличие от электронных микроскопов других типов. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условияхсверхвысокого вакуума.

Выделяют также низкотемпературные СТМ, работающие в условиях криогенных температур.81Сканирующие зондовые микроскопы позволяют осуществлять триспособа исследования поверхностей, такие как:- сканирующаятуннельная микроскопия (СТМ);- сканирующаясиловая микроскопия(ССМ);- близкопольнаясканирующая микроскопия (БСМ).Несмотрянабольшое многообразиевидов и примененийсовременных зондовыхсканирующихтуннельных микроскопов,в основе их работы заложенысходныепринципы и конструкции мало различаютсяРис. 2.25. Обобщенная структурная схема сканирую- между собой.

На рис.щего зондового микроскопа2.25 приведена обобщенная схема такого микроскопа.Принцип его работы заключается в следующем. С помощью системыгрубого позиционирования измерительный зонд подводится к поверхностиисследуемого образца. При приближении образца и зонда на расстояниеменее сотен нм последний начинает взаимодействовать с поверхностнымиструктурами анализируемой поверхности. Перемещение зонда вдоль поверхности образца осуществляется с помощью сканирующего устройства,которое обеспечивает сканирование поверхности иглой зонда.

Обычно онопредставляет собой трубку из пьезокерамики, на поверхность которой нанесены три пары разделенных электродов. Под действием приложенных кпьезотрубке напряжений Ux и Uy она изгибается, обеспечивая тем самымперемещение зонда относительно образца по осям X и Y, под действиемнапряжения Uz – сжимается или растягивается, что позволяет изменятьрасстояние игла – образец.82Датчик положения зонда непрерывно отслеживает позицию зондаотносительно образца и через систему обратной связи передает данные оней в компьютерную систему, управляющую движением сканера. Для регистрации сил взаимодействия зонда с поверхностью обычно используютметод, основанный на регистрации отклонения луча полупроводниковоголазера, отраженного от кончика зонда.

В микроскопах такого типа отраженный пучок света падает в центр двух- или четырехсекционного фотодиода, включенного по дифференциальной схеме. Дифференциальный метод регистрации отклонения отраженного лазерного луча позволяет регистрировать отклонение консоли величиной всего 10 – 20 нм. Компьютерная система служит, кроме управления сканером, также для обработкиданных от зонда, анализа и отображения результатов исследования поверхности.Пьезоэлектрические двухкоординатные манипуляторы перемещаютзонд вдоль поверхности образца, формируя растр наподобие того, как этоделается в электронном микроскопе. При этом параллельные строки растраотстоят друг от друга на доли нанометра.

Если бы кончик зонда не повторял профиль поверхности, то туннельный ток менялся бы в очень широкихпределах, увеличиваясь в те моменты, когда зонд проходит над выпуклостями (например над атомами на поверхности), и уменьшаясь до ничтожномалых значений при прохождении зазоров между атомами. Однако зондзаставляют двигаться вверх и вниз в соответствии с рельефом поверхности.

Осуществляется это с помощью механизма обратной связи, которыйулавливает начинающееся изменение туннельного тока и изменяет напряжение, прикладываемое к третьему манипулятору, который двигает зонд внаправлении, перпендикулярном поверхности, таким образом, чтобы величина туннельного тока не менялась, т.е.

чтобы зазор между зондом и объектом оставался постоянным. По изменению напряжения на третьем зондекомпьютер строит трехмерное изображение поверхности. При этом разрешающая способность микроскопа достигает атомного уровня, т.е. могутбыть видны отдельные атомы, размеры которых составляют 0,2 нм.Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций:сканирования, туннелирования и локального зондирования.

Характеристики

Список файлов учебной работы