Нанометрология (1027621), страница 22

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

Текст из файла (страница 22)

Приэтом на более вязких участках амплитуда будет меньше.Механические свойства поверхности можно исследовать также путем построения ее фазового образа (рис. 2.42, б). Для этого необходимАСМ, работающий в динамическом режиме. Как и в предыдущих случаях,110в измерительной консоли или образце модулируются вынужденные колебания. Система при этом сравнивает реальную частоту колебаний консолис частотой сигнала, прикладываемого для возбуждения колебаний. Изменения в сдвиге фаз между этими двумя сигналами будут отражать изменения механических свойств поверхности образца.С помощью сканирующей термальной микроскопии (СТерМ)можно визуализировать локальные вариации теплофизических поверхностей.

Данная методика реализуется за счет использования терморезистивного зонда, работающего в одном из двух режимов – постоянного тока илипостоянной температуры.В первом случае электрическое сопротивление термочувствительного зонда изменяется вместе с изменением температуры в данной точке сканирования. Это регистрируется путем измерения падения напряжения припропускании через зонд слабого постоянного тока, исключающего, однако,его нагрев. При такой схеме работы картографируются температурные поля на сканируемой поверхности.В режиме постоянной температуры отслеживается тепловой поток отзонда к образцу при поддержании постоянной температуры зонда, что позволяет визуализировать локальные изменения теплопроводности поверхности образца.

Набор данных составляется из значений напряжения, прикладываемого к зонду для его обогрева и изменяющегося в каждой точкесканирования в зависимости от теплопроводности материала образца.Зонд растрового термического микроскопа является, пожалуй, самымкрошечным в мире термометром: он позволяет измерять поверхностныеизменения температуры в десятитысячную долю градуса на длине несколько десятков нанометров.

Зонд представляет собой вольфрамовуюпроволочку до 30 нм в поперечнике, покрытую никелем, который отделенот вольфрама слоем диэлектрика везде, кроме самого кончика. Такойвольфрамо-никелевый зонд работает как термопара, генерируя напряжение, пропорциональное его температуре.

Когда нагретый кончик зондаприближают к исследуемому (твердотельному) образцу, являющемусялучшим проводником тепла, чем воздух, теплопотери кончика острия возрастают. Последний охлаждается, термоэдс термопары уменьшается пропорционально изменению ширины зазора. Наоборот, когда зонд удаляетсяот образца, термоэдс увеличивается. Таким образом, потери тела выявляюттопографию исследуемой поверхности точно так же, как туннельный токили силы межатомного отталкивания выполняют эту роль в микроскопах111ближнего поля. Растровый термический микроскоп применяют для картографирования температуры в живых клетках или для измерения очень малых, практически незаметных скоростей истечения потоков жидкости илигаза.Одной из эффектных СЗМ-технологий является нанолитография.Нанолитография – это совокупность методов и технологий, позволяющихнаносить на поверхность рисунок субмикронных или нанометровых размеров.

Обычно СЗМ применяются для формирования изображения поверхности без ее повреждения. Однако АСМ или СТМ могут быть использованы для направленной модификации поверхности путем приложениялибо повышенной нагрузки в случае АСМ, либо повышенных пульсацийтока в случае СТМ. Эта технология известна как нанолитография. Большинство СТМ могут быть использованы и для нанолитографии, если онисодержат устройства для генерации повышенных пульсаций тока.

В случаеАСМ он должен работать в контактном режиме. Кроме того, необходимымусловием является контролируемое перемещение острия зонда по схеме,задаваемой оператором.Однако даже усовершенствованные конструкции атомно-силовыхмикроскопов оказывают все же достаточно большое давление на объект,что может привести к загрязнению или повреждению последнего. Поэтомуразработано новое семейство сканирующих микроскопов с зондамиостриями, среди которых основным следует считать лазерный силовоймикроскоп. «Сила», которую чувствует этот микроскоп, – это малая силапритяжения между исследуемой поверхностью и зондом (кремниевым иливольфрамовым), находящимся от нее на расстоянии от 2 до 20 нм.

Онаскладывается из силы поверхностного натяжения воды, конденсирующейся в зазоре между острием, и слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Притягивающая сила очень мала – в 1000 раз меньше, чем межатомное отталкивание в атомно-силовых микроскопах. При перемещении острие вибрирует счастотой, близкой к резонансной.

Лазерно-силовой микроскоп регистрирует силу межатомного взаимодействия по ее воздействию на динамику вибрирующего зонда.В АСМ в качестве сенсора использованы силы отталкивания (примерно 10-9 Н), которые возникают при приближении зонда к поверхностина межатомное расстояние и являются результатом взаимодействия волновых функций электронов атомов зонда и образца. Последнее достижение вэтой области – создание лазерного силового микроскопа, который измеря112ет силы отталкивания до 10-11 Н (в АСМ эти силы ограничены 10-9 Н) нарасстоянии до 20 нм, с разрешением порядка 5 нм.Изменение амплитуды измеряется с помощью сенсорного устройствана базе лазера.

Для этого используется другой принцип микроскопии – интерферометрия. Лазерный луч расщепляется на два: луч сравнения, который отражается от стационарного зеркала или призмы, и зондирующийлуч, который отражается от обратной стороны острия. Два луча складываются и интерферируют, порождая сигнал, фаза которого чувствительна кизменению длины пути, пройденного зондирующим лучом. Таким образом, интерферометр измеряет вибрации кончика острия амплитудой до10-5 нм. Рассмотренный принцип позволяет лазерно-силовому микроскопурегистрировать малые неровности рельефа величиной до 5 нм (около 25атомных слоев).Техника сканирующих зондов располагает возможностями оптической микроскопии. Рассматриваются способы перенесения в микроскопиюближнего поля таких чисто оптических эффектов, как поляризационныйконтраст, фазовый контраст, методы усиления контраста и т.д. Существующие сканирующие микроскопы с зондами-остриями позволяют с разрешением в несколько нанометров «увидеть» мир молекул или микросхем,а в совокупности со средствами оптической микроскопии эта же техникараскроет окно в этот мир в свете, тенях и цвете.Следует упомянуть и еще об одном, совершенно новом методе –протонной микроскопии, или протонной радиографии.

В основе лежиттак называемый эффект теней. В одном из вариантов кристаллический образец «освещают» параллельным пучком протонов, высокая энергия которых (сотни или даже тысячи кэВ) позволяет им проникнуть чрезвычайноблизко к ядрам атомов, составляющих кристаллическую решетку образца.Рассеиваясь на ядрах в различных направлениях, протоны «продираются»сквозь кристалл, частично выходят из него и засвечивают расположеннуюс «освещаемой» стороны образца фотопластинку, где получается специфическая сетка ярких линий с пятнами разных размеров.

Эта картина напоминает картины дифракции электронов или рентгеновских лучей на кристаллах. Однако подобие это чисто внешнее, т.к. принципиально различнымеханизмы их получения. В первых двух случаях происходит волновоевзаимодействие, тогда как при протонографии – корпускулярное взаимодействие протонов и ядер. Это отличие дает определенное преимущество:повышая энергию протонов, мы увеличиваем глубину их проникновения в113образец, не ухудшая при этом (что наиболее важно) способность «видеть»атомы.Физика взаимодействия протонов с ядрами очень сложна, и мы останавливаться на ней не будем. Отметим лишь возможности протонографии.По протонограмме можно определить тип структуры кристалла, кристаллографическую ориентацию, углы между кристаллографическими осями.Ее вид чрезвычайно чувствителен к малейшим искажениям (деформациям)кристаллической решетки.

Протонограмма также регистрирует точечныедефекты. Важным преимуществом протонографии является возможностьпослойного анализа микроструктуры кристаллических образцов без ихразрушения: повышая энергию протонов, можно проникать все глубже иглубже. Послойное исследование можно проводить и не меняя энергии.Для этого перед фотопластинкой помещают металлическую фольгу определенной толщины. Протоны, вышедшие из глубины образца и потерявшие таким образом значительную часть энергии, будут поглощаться фольгой, тогда как протоны, рассеянные вблизи поверхности, пройдут сквозьфольгу и попадут на пластинку. Последовательно меняя толщину фольги,можно получить серию протонограмм с различной глубины образца и установить, например, распределение по глубине каких-либо дефектов.

Приэтом образец не разрушается.2.5. Спектроскопия в нанометрологииСпектроскопия – один из основных методов исследования наночастиц. Применяются различные методы спектроскопии: оже-спектроскопия,фотоэлектронная рентгеновская спектроскопия, раман-спектроскопия, фотолюминесцентная и электролюминесцентная спектроскопия, дифракциямедленных электронов, а также атомные спектральные измерения (АСИ).Оже-спектроскопия основана на эффекте, открытом в 1925 годуфранцузским физиком Пьером Оже в инертных газах. Суть этого явления втом, что если на одном из внутренних уровней энергии атома по каким-топричинам создается вакансия – дырка, то она быстро заполняется другимэлектроном атома, а лишняя, выделяющаяся при этом энергия передаетсяеще одному электрону, который и «выстреливается» из атома (ожеэлектрон). Энергия этих электронов определяется природой испускающихатомов, а число электронов пропорционально количеству таких атомов.Поэтому оже-спектроскопия позволяет проводить одновременно качест114венный и количественный анализ исследуемого вещества.

Характеристики

Список файлов учебной работы