Нанометрология (1027621), страница 26
Текст из файла (страница 26)
несколько пикометров (10-12 м).К недостатку АСМ при его сравнении с РЭМ следует отнести небольшой размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости.
У АСМ максимальный перепад высот составляет несколько микрон, амаксимальное поле сканирования в лучшем случае порядка 150¯150 мкм.Другая проблема заключается в том, что при высоком разрешении качест129во изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что принеправильном выборе зонда приводит к появлению артефактов на получаемом изображении.Обычный АСМ не в состоянии сканировать изображения так же быстро, как это делает РЭМ.
Для получения АСМ-скана, как правило, требуется несколько минут, в то время как РЭМ после откачки способен работать практически в реальном масштабе времени, хотя и с относительно невысоким качеством. Достаточно медленная скорость развертки АСМ частоприводит к появлению на изображении искажений, вызываемых тепловымдрейфом, ограничивая тем самым возможности микроскопа при точномизмерении элементов сканируемого рельефа.Изображения, полученные на АСМ, могут быть искажены гистерезисом пьезокерамического материала сканера, а также перекрестными паразитными связями, действующими между X, Y, Z элементами сканера, чтоможет потребовать программной коррекции. Современные АСМ используют программное обеспечение, которое вносит исправления в реальноммасштабе времени (ориентированное сканирование), либо сканеры, снабженные замкнутыми следящими системами, которые практически устраняют данные проблемы.
Некоторые АСМ вместо пьезотрубки используютX, Y и Z элементы сканера, механически несвязанные друг с другом, чтотакже позволяет исключить часть паразитных связей.Основные технические сложности, характерные для АСМ:• создание иглы, заостренной действительно до атомных размеров;• обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной)стабильности на уровне лучше 0,1 Ǻ;• разработка детектора, способного надежно фиксировать столь малыеперемещения;• получение развертки с шагом в доли ангстрема;• обеспечение плавного сближения иглы с поверхностью.В обзоре атомно-силовых микроскопов («Фотоника» № 5, 2007)предпочтение отдано микроскопам компании VEECO (Nanoscope, США,www.veeco.com), представленной на рынке с 1945 года.
Сначала она производила приборы для определения утечек газа, а сейчас – крупнейшийпроизводитель высокотехнологичного оборудования, в том числе АСМ,130ранее выпускавшихся под торговой маркой Nanoscope компанией DigitalInstruments.Модельный ряд микроскопов очень разнообразен. В нем представлены приборы для исследования образцов больших размеров (до 200 мм вдиаметре), приборы, ориентированные на сканирование с большой скоростью и на сканирование в жидкости. Параметры универсального микроскопа Mutimode 5 этой компании приведены в табл. П2.Дополнительно АСМ позволяет работать с образцами при контролируемом нагреве и охлаждении от -35 до 250° С.Существует мнение, что лучшим из микроскопа компании VEECOбыл Nanoscope 3. Сейчас приборы стали значительно сложнее. Они содержат много дополнительной электроники, которая не только расширяетфункциональные возможности, но и увеличивает уровень шума.
Это, однако, не мешает им обеспечивать максимум удобства и получение хороших изображений.Сегодня в мире в широком ассортименте выпускаются CЗМ и принадлежности к ним. Среди наиболее известных фирм можно назвать DigitalInstruments, Park Scientific Instruments, Omicron, Topometrix, Burleigh и др.Цены на них колеблются в широких пределах – от 40 тыс.
долларов за простейший АСМ до 100 – 200 тыс. долларов и выше в зависимости от комплектации и спектра решаемых задач.Цены на микроскопы компании VEECO традиционно высоки. Сейчас компания стала выпускать «бюджетные» модели ценой порядка 60 тыс.долларов США. Например, модель Caliber.Конкурент компании VEECO – компания Asylum Research (США,www.asylumresearch.com) – выделилась из компании Digital Instruments(DI, США) в 1998 году.
Компания выпускает микроскопы, в которых объединены функции сканирующего атомно-силового и оптического (Nicon,Zeiss или Olympus) микроскопов. Технику АСМ при этом можно комбинировать с различными оптическими методами, в том числе с флуоресцентной микроскопией, что может быть полезно в биологических приложениях. Микроскопы этой фирмы допускают работу с образцами при контролируемом нагреве (до 80°С при точности 0,1°С или до 300°С при точности0,3°С).Наиболее крупная российская компания, производящая АСМ – NTMDT (Зеленоград, основана в 1991 году, www.ntmdt.ru) – работает под торговыми марками: Integra (Интегра), Solver (Солвер) и Smena (Смена).
Она131производит широкий модельный ряд приборов. Из указанного ряда наиболее универсальные приборы Integra и Solver.У микроскопа Solver Pro-М в процессе сканирования может перемещаться как образец, так и зонд; возможно также одновременное сканирование зондом и образцом (при их одновременном перемещении). При этоммаксимальное поле сканирования составляет 150¯150¯15 мкм.Smena – компактный простой микроскоп, рассчитанный на широкийкруг пользователей.В последнее время компания NT-MDT разработала новый продуктIntegra, который допускает размер скана до 200¯200¯20 мкм, может работать в жидкости, а также использует управляемое охлаждение и нагревание.
В нем воплощена концепция «Нанолаборатории», а сам продукт Integra имеет целый ряд специализированных опций: Прима, Аура, Максимус, Вита, Солярис, Томо, Спектра (подробнее см. раздел Products на сайтекомпании).Компания«Центрперспективныхтехнологий»(ЦПТ,www.nanoscopy.net) выпустила свой первый микроскоп в 1990 году. Этобыл первый российский туннельный микроскоп.
Политика компании –поддержка низких цен на выпускаемую продукцию. Модельный ряд микроскопов здесь не столь велик, а базовая модель – FemtoScan 001. Микроскоп позволяет работать с контролируемым нагревом образцов (до 80°Спри точности ±0,05°С). В предлагаемом компанией программном продуктепредусмотрены специальные приложения для проведения измерений посети Интернет. Эта особенность уникальна и полезна в целом ряде случаев.Еще один российский производитель – компания/концерн «Наноиндустрия» (www.nanotech.ru) – производит только туннельный микроскопмодели «Умка».Компания Agilent Technologies (www.agilent.com), бывшее подразделение компании Hewlett-Packard, сегодня (кроме прочего оборудования)выпускает и АСМ.
В частности, есть две модели: Agilent 5500 и более дешевая Agilent 5100, которая обладает всеми основными возможностямимодели 5500.Все микроскопы компании Agilent позволяют сканировать в специальном режиме МАС. Это запатентованный компанией режим сканирования деликатных образцов в жидкости. Микроскоп оборудован не толькостандартной (стационарной) ячейкой для жидкости, но и ячейкой для проточной жидкости. Предусмотрены различные держатели для образцов, на132пример держатель для чашки Петри. Возможна также работа с образцамипри контролируемом нагреве и охлаждении (от -35 до 250° С).Еще одна компания, которую следует отметить, – корейская PSIA(дочернееотделениекомпанииParkScientificInstruments,www.psiainc.com).
Сегодня компания выпускает несколько типов микроскопов. Базовый микроскоп – ХЕ-100. В микроскопе ХЕ-150 увеличен допустимый размер образцов до 200¯200¯20 мм и их вес – до 1 кг. Важното, что файлы изображений микроскопа PSIA дают возможность работатьв любых системах обработки изображений.В табл. П2 также представлены модели АСМ ряда других фирм –производителей (WITec, Micro Photonics, Ampios Technology и Omicron),которые можно встретить на российском рынке.Наиболее продвинутые фирмы активно участвуют в разработке широкого спектра измерительного и испытательного оборудования для наноиндустрии (компании «ТОКИО БОЭКИ», «НТ-МДТ», «BRUER», НПП«Центр перспективных технологий», научно-исследовательский центр поизучению свойств поверхности и вакуума», «Неч Гереэбау» («Netzsch Geratebau»), Технологический институт сверхтвердых и новых углеродныхматериалов Nanofactory Instruments АВ (Швеция), Торговый дом «Научноеоборудование», компания «ЛАБТЕСТ», компания «Ниеншанц», ООО «Лаборатория АМФОРА», CSM-INSTRUMENTS, Agilent, Beskman Coulter.Характерно, что в Германии только в округе Северный Рейн – Вестфалиясоздано 500 предприятий, занимающихся проблемами наноиндустрии.По метрологическому обеспечению работ в области нанотехнологийдостигнуты неплохие результаты в сфере:• исследований и разработки методов и средств калибровки сканирующих зондовых микроскопов;• создания нового поколения приборов с минимальными температурными градиентами для контроля прецизионных деталей в нанометровомдиапазоне;• исследования бесконтактной очистки иглы сканирующего туннельного микроскопа от налипающих на нее наночастиц при работе в атмосфере;• влияния свойств физического вакуума на предельные возможностинанотехнологий;• моделирования и классификации наноструктур на основе четырехзначной логики;133• самоорганизации, самоформирования, самосборки для практическойреализации нанотехнологий;• реализации удаленного доступа к сканирующему туннельному иатомно-силовому микроскопам в режиме реального времени.Несмотря на множество достоинств прямых методов исследованиянанопорошков и наноматериалов, имеет место ряд препятствий (барьеров)на пути исследования наночастиц или зерен сложной (несферической)формы.
Большинство методик основаны на исследовании 2D-изображенийи расчете 2-мерных параметров. Однако подобная методика и соответствующие расчеты корректны для сферических частиц. В случаях, когда изображение состоит из изображений сечений зерен, в предположении сферичности форм объектов, необходимо применять стереологические методики.Национальные метрологические институты стран, с наиболее развитыми нанотехнологическими направлениями, создают специальные научно-исследовательские лаборатории, оснащенные современными средствами измерений, зачастую совмещенными с соответствующим технологическим оборудованием.Наиболее известны подразделения метрологии Института стандартови технологии – NIST (США), Национальной физической лаборатории –NPL (Великобритания), Физико-технического института – РТВ (Германия),Национального метрологического института – LNE (Франция).Оснащение данных лабораторий включает в себя ряд приборов, позволяющих проводить измерения физических величин в нанометровомдиапазоне.
К ним относятся сканирующие электронные микроскопы(СЭМ), просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ), сканирующиетуннельные микроскопы (СТМ), атомно-силовые микроскопы (АСМ),микроскопы ближнего поля, конфокальные микроскопы, интерференционные микроскопы и ряд других приборов, обеспечивающих наивысшее разрешение по измеряемым физическим величинам при нанометровых размерах исследуемого объекта.Однако в процессе исследований различных наноструктур возниклопонимание, что для решения задач обеспечения единства измерений параметров наноструктур данной приборной базы недостаточно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
