Нанометрология (1027621), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в другихтипах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, атакже в телевизионной технике, а электронное туннелирование с успехомиспользовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до83появления СТМ (как и контактная спектроскопия). Все это делает СТМуникальным микроскопом, который не содержит линз (а значит, изображение не искажается из-за аберраций), энергия электронов, формирующихизображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньшеэнергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопиивысокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и дажемегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов.СТМ позволяет визуализировать области высокой электроннойплотности и, следовательно, выводить положение индивидуальных атомови молекул на поверхности решетки.
Чувствительность и локальность метода СТМ на порядок превышают аналогичные параметры других методов,но при этом СТМ обладает существенным недостатком: все исследуемыеобразцы должны быть проводящими, что неприемлемо при исследованииматериалов и структур, содержащих диэлектрические слои.2.3.3. Атомно-силовой микроскоп (АСМ)Основной недостаток СТМ – работа только с токопроводящими поверхностями – был устранен в конце 1986 года, когда Биннинг, Квант иГербер предложили конструкцию прибора нового поколения, который тоже позволяет исследовать поверхности с беспрецедентной детальностью,но уже вовсе не обязательно электропроводящие. Новый прибор был назван атомным силовым микроскопом (АСМ).
Первый промышленныйАСМ был изготовлен в США фирмой «Digital Instruments» в 1989 году.Атомно-силовой микроскоп (англ. AFM – atomic force microscope) –сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный нена туннельном эффекте как в СТМ, а на силовом взаимодействии иглыкантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. Обычно подвзаимодействием понимают притяжение или отталкивание кантилевера отповерхности из-за сил Ван-дер-Ваальса, т.е. сил межмолекулярного взаимодействия. При использовании специальных кантилеверов можно изучатьтакже электрические и магнитные свойства поверхности.
В отличие отСТМ, атомно-силовой микроскоп позволяет исследовать как проводящие,так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяетработать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разреше84ние АСМ зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его повертикали.Принцип действия атомного АСМ основан на использовании силатомных связей, действующих междуатомами вещества.
На малых расстояниях между двумя атомами (около одного ангстрема) действуют силы отталкивания, а на больших – силы притяжения. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В сканирующематомном силовом микроскопе такими Рис. 2.26. Регистрация отклонениятелами служат исследуемая поверх- лазерного луча в АСМность и скользящее острие.Схема АСМ приведена на рис. 2.26. Для создания изображения(рельефа) поверхности образца АСМ использует зонд с наконечником ввиде острой иглы), который контактирует с образцом. Игла изготавливается из различных материалов (например, кремния или нитрида кремния) срадиусом кривизны 10 нм для Si и 20-60 нм для Si3N4.
Она прикреплена кгибкой консоли (кантилеверу), которая нагружается внешней силой со стороны закрепленного конца для создания определенного контактного давления. Игла огибает профиль поверхности образца, перемещаемого в горизонтальной плоскости с помощью пьезоманипулятора по двум взаимноперпендикулярным осям.
При движении иглы ее верхний конец (свободный конец кантилевера) отклоняется по закону Гука. Это отклонение измеряется благодаря фиксации изменения (от некоторого нулевого) положения луча лазера, отражаемого от зеркала на конце кантилевера и принимаемого с помощью четырехсегментного массива фотодиодов (МФД).Отклонение может быть вызвано механической контактной силой,силами атомного и молекулярного взаимовоздействия (силами Кулона иВан-дер-Ваальса), капиллярными силами, силами электростатическоговзаимодействия, магнитными силами (характерными для магнитосиловогомикроскопа) и т.д.
В соответствии с этими вариантами возможны разныетипы консолей. Методы измерения отклонения консоли при этом могут85быть основаны на емкостных, резистивных, кондуктивных (на основе проводимости), магнитных, интерференционных и других типах датчиков.Сигнал с МФД обрабатывается компьютером, который формируетсигнал обратной связи, подаваемый на пьезокерамический манипулятор,для регулировки расстояния между концом зонда (иглы) и образцом с целью поддержать постоянство силы взаимодействия между иглой и образцом. Уровень этой силы можно менять, используя консоли различной жесткости, что особенно важно в биологических приложениях АСМ.В АСМ использован принцип «оптического рычага». При прогибе(изгибе) консоли пучок лазерного излучения отражается и попадает на фотодиод.
Разность сигналов позволяет измерить измененияпрогиба консоли. Посколькуизгиб консоли подчиняетсязакону Гука для малых перемещений, можно определитьсилу взаимодействия междуострием и поверхностью образца. В качестве датчика вАСМ могут использоватьсяРис. 2.27. Схематическое изображение зондово- любые особо точные и чувстго датчика АСМ – кантилеверавительные – прецизионные –Рис.
2.28. Некоторые разновидности игл кантилеверовизмерители перемещений, например, оптические, емкостные или туннельные датчики. Величина отклонения упругого элемента (пружинки) несет86информацию о высоте рельефа – топографии поверхности и, кроме того,об особенностях межатомных взаимодействий. Принципы прецизионногоуправления, основанного на обратной связи и улавливающего самые ничтожные изменения рельефа поверхности, в СТМ и АСМ практическиодинаковы.Один из основных и общих элементов конструкции сканирующихзондовых микроскопов – кантилевер (консоль, кронштейн – зондовый).Это датчик в виде крошечной балки (рис. 2.27) толщиной от 0,1 до 5 мкм,шириной от 10 до 40 мкм и длиной от 100 до 200 мкм.
На конце полоски –игла с острием, радиус закругления которого порядка одного нанометра(рис. 2.28). Кантилеверы изготовляют из кремния или нитрида кремния, аострие – из этих же материалов или алмаза. Сила взаимодействия расположенных на поверхности атомов и наконечника вызывает отклонения последнего. Для регистрации отклонений используется сфокусированный наконсоли (кантилевере), в которой закреплен наконечник, лазерный пучок.Отраженный консолью пучок воспринимается приемником излучения.По мере приближения иглы к поверхности ее атомы все сильнейпритягиваются к атомам образца. Сила притяжения будет возрастать покаигла и поверхность не сблизятся настолько, что их электронные облаканачнут отталкиваться электростатически.
При дальнейшем сближенииэлектростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются на расстоянии между атомами около0,2 нм.Подобно СТМ в АСМ сканирование поверхности может происходить двумя способами: сканирование кантилевером (зондом) и сканирование подложкой. В первом случае вдоль исследуемой поверхности движется кантилевер, во втором относительно неподвижного кантилевера движется сама подложка.Для регистрации сил взаимодействия зонда с поверхностью обычноиспользуют метод, основанный на регистрации отклонения лазерного луча,отраженного от кончика зонда. Луч направляется на самый кончик кантилевера, покрытый специальным алюминиевым зеркальным слоем, послечего попадает в специальный четырехсекционный фотодиод.Таким образом, малейшие отклонения кантилевера приводят к смещению луча лазера относительно секций фотодиода, что, в свою очередь,меняет сигнал с фотодиода, показывающего смещения кантилевера в туили иную сторону.
Такая система позволяет измерять отклонения луча на87угол 0,1", что соответствует отклонению кантилевера всего на сотые долинанометра.Качественно работу АСМ можно пояснить на примере сил Ван-дерВаальса. Наиболее часто энергию Ван-дер-Ваальсова взаимодействия двухатомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, аппроксимируют степенной функцией-потенциалом Леннарда-Джонса U LD (рис. 2.29):⎧⎪ ⎛ r0 ⎞ 6 ⎛ r0 ⎞12 ⎫⎪U LD (r ) = U 0 ⎨− 2⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ ⎬ .⎪⎩ ⎝ r ⎠ ⎝ r ⎠ ⎪⎭Рис.2.29. Качественный вид потенциала Леннарда-ДжонсаПервое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее притяжение, обусловленное в основном диполь-дипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемоеучитывает отталкивание атомов на малых расстояниях.
Параметр r0 – рав-новесное расстояние между атомами, U 0 – значение энергии в минимуме.Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный характер (см. ниже рис. 2.34), однако основные черты данного взаимодействия сохраняются – зонд АСМ испытывает притяжение со стороны образцана больших расстояниях и отталкивание на малых. Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика.
В атомно-силовой микроскопии дляэтой цели широко используются оптические методы (рис. 2.30).Рис. 2.30. Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового датчика АСМ88Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондовогодатчика, а отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. В качестве позиционно-чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.Основные регистрируемые оптической системой параметры – это деформации изгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (FZ) и деформации кручения консоли поддействием латеральных компонент сил (FL) взаимодействия зонда с поверхностью.Если обозначить исходныезначения фототока в секцияхфотодиода через /01, /02, /03, /04, Рис.
2.31. Типы изгибных деформаций консоа через /1, /2, /3, /4 – значения ли зондового датчикатоков после измененияположения консоли, торазностные токи с различных секций фотодиода будут однозначнохарактеризовать величину и направление изгиба консоли зондовогодатчика АСМ. Действительно, разность токоввидаΔI Z = (ΔI 1 + ΔI 2 ) − (ΔI 3 − ΔI 4 )пропорциональна изгибу консоли под дейст- Рис. 2.32.
Схема обратной связи в атомно-силовомвием силы, действую- микроскопещей по нормали к поверхности образца (рис. 2.31, а). А комбинация разностных токов видаΔI L = (ΔI 1 + ΔI 4 ) + (ΔI 2 + ΔI 3 )характеризует изгиб консоли под действием латеральных (боковых) сил(рис.
2.31, б). Величина I Z используется в качестве входного параметра в89петле обратной связи атомно-силового микроскопа (рис. 2.32). Системаобратной связи (ОС) обеспечивает I Z = const с помощью пьезоэлектрического исполнительного элемента, который поддерживает изгиб консолиΔZ равным величине Δ Z 0 . При сканировании образца в режиме Z = constзонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z = f (x, y ) . Пространственное разрешение АСМ определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонение консоли.
В настоящее время реализованы конструкции АСМ, позволяющие получать атомарное разрешение при исследовании поверхности образцов.Препятствие такому разрешению может возникнуть в случае «налипания» атомов поверхностного слоя на иглу кантилевера. Совершенноочевидно, что в процессе сканирования в контакте игла – поверхность изза адгезии (слипанияразнородных твердыхматериалов при их контакте) форма иглы меняется. Если радиусострия иглы превыситпоперечный размер поверхностного дефекта,то изображение этогодефекта искажается, аРис. 2.33. Схема «обкатки» трапециевидного выступаиглой кантилеверачастьинформацииется. Естественно, чторазрешающая способность АСМ увеличивается с уменьшением радиусаострия, причем предел разрешения больше радиуса иглы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
