Нанометрология (1027621), страница 19

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

Текст из файла (страница 19)

Такойпологий наклон означает меньшие отклонения измерительной консоли приреакции на изменение величины зазора между острием и образцом. Крометого, здесь необходимо использовать более жесткую консоль, так как впротивном случае острие сканирующей иглы «залипнет» на поверхностиобразца как только приблизится к ней на достаточно малое расстояние, когда начинают работать силы притяжения. Однако следует учитывать, чтожесткая консоль в ответ на малые силы отклоняется меньше, чем мягкая, ипоэтому для бесконтактного АСМ должна быть использована более чувствительная схема детектирования. В бесконтактном режиме работы АСМсуммарная сила между острием и образцом небольшая – обычно ~10-12 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 сострием.При исследовании жестких образцов изображения, полученные вконтактном и бесконтактном режимах, могут выглядеть одинаково. Однако если на поверхности жесткого образца лежат, к примеру, несколько монослоев конденсированной влаги, то эти изображения могут значительноразличаться. АСМ, работающий в контакте, будет проникать через слойжидкости, отображая нижележащую поверхность, тогда как бесконтактный АСМ будет давать изображение поверхности слоя влаги.Наряду с описанными, АСМ могут работать и в ряде других режимов.Измерение боковых сил.

Во время сканирования возникает дополнительная крутильная деформация кантилевера. Она обусловлена моментом сил, действующих на острие иглы. Угол кручения при небольших отклонениях пропорционален боковой силе. Латеральные (т.е. боковые) от96клонения консоли обычно возникают по двум причинам: изменение наклона поверхности и изменение ее фрикционных параметров (коэффициента трения).

В первом случае консоль может закручиваться, когда ей попадается постепенный наклон. Во втором случае сканирующая игла, пересекая некоторый участок, может испытать большее трение, вызывая темсамым и большее закручивание измерительной консоли. Чтобы разделитьэти два эффекта, АСМ должен «уметь» одновременно считывать данные олатеральном и вертикальном отклонении (т.е. визуализировать топографию). Измерительная система микроскопа позволяет регистрировать кручение кантилевера.

Луч лазера, отраженный от кантилевера, получает вэтом случае дополнительное смещение в боковом направлении. Для измерения боковых сил АСМ работаетв режиме поддержания постоянной силы, т.е. как при снятии топографии. При движении по плоской поверхности, на которойприсутствуют участки с разнымкоэффициентом трения, угол кручения будет изменяться от участкак участку (рис. 2.37). Это позво- Рис. 2.37.

Профиль боковых сил из-заляет говорить об измерении ло- участков поверхности с разными коэффикальной силы трения. Если при- циентами трениясутствует рельеф, то такая интерпретация невозможна. Тем не менее, этотвид измерений позволяет получать изображения и облегчать поиск. В режиме измерения боковых сил легко получать атомарное разрешение наслюде и некоторых других слоистых материалах.Следует отметить, что при измерении топографии с атомарным разрешением получается атомарный рельеф до нескольких ангстрем, тогдакак реальный рельеф составляет доли ангстрема.

Такая большая величинарельефа объясняется влиянием крутильной деформации кантилевера из-занеидеальности регистрирующей системы – кручения кантилевера воспринимаются как его продольный изгиб. Это возникает, например, даже приочень небольшом угле поворота фотодиода относительно направлениядвижения луча при продольном изгибе кантилевера.Существуют даже специальные латерально-силовые микроскопы(ЛСМ). 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.

Характеристики

Список файлов учебной работы