Нанометрология (1027621), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Это может быть полезно для отыскания мелких неоднородностей на большом поле на фоне крупных пологих особенностей рельефа.Укрупненно в отношении возбуждения вынужденных колебаний измерительной консоли АСМ различают основные два режима – статический и динамический. Если в измерительной консоли АСМ модулируютколебания, то такой режим называют динамическим, в противном случае, –статическим.В статическом режиме силы взаимодействия между острием иглы иповерхностью образца вызывают отклонение измерительной консоли, изгибая ее до достижения статического равновесия. В процессе сканированияобразца (при движении острия над неподвижным образцом или образцапод неподвижным острием) АСМ детектирует отклонения консоли, формируя набор данных о топографии одним из двух описанных выше способов: режимом постоянной высоты (его другое название – режим переменного отклонения) и в режиме постоянной силы.В динамическом режиме система АСМ модулирует механическиеколебания измерительной консоли на частоте, близкой к резонансной (типичные значения находятся в пределах от 30 до 300 кГц), с амплитудой внесколько нанометров.
Величина самой резонансной частоты зависит отприкладываемой внешней силы, и поэтому в процессе приближения остриясканирующей иглы к поверхности образца она изменяется, поскольку приэтом изменяется и величина Ван-дер-Ваальсовой силы. Отталкивающаясила стабилизирует упругую реакцию консоли и увеличивает резонанснуючастоту, тогда как при воздействии притягивающей силы наблюдается обратная картина.В процессе сканирования образца в динамическом режиме системаобратной 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 устройстваиспользуются для визуализации топографии. При таком методе измеряется100и визуализируется поверхность постоянного градиента сил.
В качествеальтернативного метода можно получать образы поверхности переменногоградиента сил, для чего необходимо просто отключить систему обратнойсвязи. Подобно статическому режиму эти два метода обеспечивают, соответственно, легкость восприятия АСМ изображения и высокую скоростьсканирования. Чувствительность схемы детектирования в динамическомрежиме обеспечивает субангстремное вертикальное разрешение на изображениях.Для получения изображений поверхности образца можно использовать не только данные о перемещении сканирующего устройства («записьпо высоте»), но и об изменении в процессе сканирования амплитуды иличастоты 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.Сравнение основных режимов работы АСМ в их различных комбинациях приведено в табл. 2.2.Таблица 2.2Режимы работы атомно-силового микроскопаБесконтактныйНедостатки Преимущества НедостаткиКонтактныйПреимуществаВид режимаконтактностиВид режима статичностиСтатическийВысокое латеральное (боковое) разрешение.
Возможность определять деформацию в системе острие – поверхностьВозможно повреждение поверхности. Низкое силовоеразрешение (~1 нН). ПодверженностьтемпературномудрейфуРаботабезповрежденияповерхностиДинамическийВозможностьопределятьплощадь контакта или модуль упругости.
Высокое силовое разрешение (~0,001нН). Незначительный температурный дрейфВозможно повреждение поверхности. Модуляция нарушает адгезионное взаимодействие между острием иповерхностьюРабота без посреждения поверхности. Высокое силовоеразрешение.Незначительныйтемпературный дрейфНизкое силовое пространст- Низкоепространственноевенное разрешение. Подвер- разрешение (~10 нм)женностьтемпературномудрейфу101Качество результатов, которые можно получить на бесконтактномАСМ, 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. Более того, остраяигла для бесконтактного АСМ даже более важна, чем для контактного: приработе в бесконтактном режиме наклон кривой Ван-дер-Ваальсовых силпологий, поэтому с поверхностью образца будет взаимодействовать большее количество атомов острия.Режим «обстукивания» по сути является реализацией контактногоАСМ в динамическом режиме, образ действия которого подобен бесконтактному, – амплитуда и фаза колебаний кантилевера зависят от степенивзаимодействия поверхности и зонда в нижней точке колебаний кантилевера. Поскольку в этой точке колебаний зонд механически взаимодействует с поверхностью, то на изменение амплитуды и фазы колебаний кантилевера в этом режиме существенное влияние оказывает локальная жесткостьповерхности образцов.
В режиме «обстукивания» измерительная консольколеблется на своей резонансной частоте с высокой амплитудой порядка100 нм. При каждом колебании острие касается образца в своей нижнейточке (отсюда термин «режим обстукивания»). При работе в режиме «обстукивания» повреждение образца менее вероятно, чем в контактном, поскольку в процессе перехода к каждой последующей точке сканированияустраняются боковые (латеральные) силы (трение или протягивание) между образцом и острием. Однако вертикальные силы в режиме «обстукивания» должны быть значительно выше, чем капиллярная сила (10-8 Н), длятого, чтобы дать острию сканирующей иглы возможность проникатьвнутрь и выходить из водного слоя без задержки.
Эта вертикальная силадостаточно велика, чтобы деформировать поверхность мягких и упругихматериалов. Поэтому изображения, полученные в режиме «обстукивания»,часто представляют собой смесь топографии и упругих свойств поверхности образца.2.4. Разновидности ближнепольной микроскопииМикроскопия ближнего поля. Методы исследования и микроскопы, принцип работы которых основан на использовании малой диафрагмы,102обеспечивающей излучение малого диаметра, или зонда, выполняющего туже роль, близко поднесенных к изучаемому объекту, входят в микроскопию ближнего поля.
СТМ и АСМ также относятся к приборам микроскопии ближнего поля, использующим эффект туннелирования электроновдля регистрирующего (сенсорного) и управляющего устройств. Использование сенсорных устройств, основанных на других физических принципах,позволяет расширить область применения бурно развивающейся микроскопии ближнего поля. С каждым годом появляются новые конструкциимикроскопов.Близкопольная(ближнепольная) сканирующая оптическая микроскопия (БСОМ) является особой разновидностью сканирующей зондовойтехнологии, в которой используется видимый свет. Другое название этой методики – сканирующая световая микроскопия.
Традиционно разрешение оптических микроскопов ограничено длинойволны света – примерно половиноймикрометра. БСОМ улучшает разрешение оптического микроскопа на порядокРис.2.38.Схемаволоконнои представляет собой сочетание растро- оптического ближнепольного зонда:вой зондовой и оптической микроско- 1 – заостренное оптическое волокно;пии. Световой пучок подводится с по- 2 – металлическое покрытие;мощью наноразмерного волоконно- 3 – проходящее через зонд излучеоптического наконечника и использует- ние; 4 – выходная апертура зонда,ся как для возбуждения образца, так и d << λ; 5 – поверхность исследуемого образца; 6 – расстояние междудля сбора отраженного им излучения.
В исследуемой поверхностью и аперрезультате сканирования либо наконеч- турой зонда, d << λ. Штрихамиником, либо предметным столиком с очерчена область ближнепольногообразцом поточечно воспроизводится контактаизображение изучаемого образца (рис.2.38).Отличительным элементом ближнепольных приборов является оптический зонд, обычно представляющий собой заостренное оптическое волокно 1, наружная поверхность которого, за исключением вершины конуса, покрыта непрозрачным слоем металла 2. Зонд формирует «световую103воронку».
Видимый свет исходит из узкого конца зонда («световой воронки») диаметром 10 – 30 нм и попадает на детектор либо после отраженияот образца, либо пройдя сквозь него. Интенсивность оптического сигналарегистрируется детектором в каждой точке измерений, а набор данных,считанных со всей сканируемой поверхности, составляет БСОМ-образ. Спомощью БСОМ можно формировать изображение поверхности в видимом свете с разрешением около 15 нм при условии, что расстояние междуисточником света и образцом очень мало – ~5 нм.«Световая воронка» и система поддержания постоянного расстояниямежду источником света и образцом – это две достаточно «тонкие» частиБСОМ. Обычно «световая воронка» изготавливается нагреванием оптического волокна, протяжкой его до малого диаметра с последующим скалыванием с одного конца. После этого на волокно для лучшей светопроводимости наносят слой металла (металлизируют). Другой способ изготовления«световой воронки» предусматривает высверливание небольшого отверстия в острие пустотелойсканирующей иглы АСМи направление внутрь неесвета.
Разработка эффективной «световой воронки» в настоящее времяявляется областью активных исследований.К настоящему времени создано около 20типов БСОМ, различающихсяособенностямиоптической схемы иРис. 2.39. Возможные конфигурации схем ближ- функциональным назначением зонда. В техниченепольных оптических микроскоповском смысле БПО сочетает элементы обычной оптики и сканирующейзондовой микроскопии.На практике используются несколько конструктивных схем ближнепольного оптического микроскопа. Основные конфигурации БСОМ пока104заны схематично на рис.
2.39. Наиболее часто реализуется схема, в которой оптическое излучение лазера локализуется в пространстве с помощьюволоконного зонда. Такая схема позволяет получить максимальную мощность излучения в области субволнового отверстия и проводить исследования образцов как на отражение (рис. 2.39, а), так и на просвет (рис. 2.39,б). Для увеличения чувствительности излучение, отраженное от образцаили прошедшее сквозь образец, собирается на фотоприемнике с помощьюфокусирующего зеркала или линзы. Кроме того, данная конфигурацияБСОМ широко используется в экспериментах по ближнепольной оптической литографии.
В экспериментах, когда требуются высокие уровни оптической накачки (как например, при исследовании локальных нелинейных свойств образцов), реализуется схема, в которой мощное лазерное излучение направляется на исследуемую структуру, а прием осуществляетсяс помощью ближнепольного зонда.БСОМ должен поддерживать расстояние между сканирующим зондом и образцом постоянным, чтобы получить простое оптическое изображение поверхности.
Для этого могут быть использованы традиционныедля АСМ методики поддержания постоянного отклонения измерительнойконсоли.Магнитный силовой микроскоп (МСМ). В приборе использованпринцип силового микроскопа ближнего поля, где в качестве зонда применяется намагниченное острие. Его взаимодействие с поверхностью образцапозволяет регистрировать магнитные микрополя и представлять их в качестве карты намагниченности. Разрешение микроскопа составляет около25 нм, при размере доменов около 200 нм.
МСМ предназначен для изучения магнитных свойств образца. Он позволяет визуализировать намагниченные области и границы магнитных доменов. МСМ отображает пространственные вариации магнитных сил на поверхности образца. Особенностью конструкции МСМ является то, что острие сканирующей иглы покрывается тонкой ферромагнитной пленкой или используется намагниченный никелевый либо железный зонд (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
