Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твердого тела (1040989), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Однако в случас измерсний па наноуровнс возникаю1 определенные сложности с пнтерпретацисй получасмых данных (см. обзор ). В силу этого, нс смотря на выпуск рядом отсчествснных и 56) зарубежных производителей стандартных приборов для нанопндснтирования, проблсма стандартизации и метрологического обсспечения таких измерений до сих пор остается нерсшенной. В бескантактном рсжимс работы АСМ расстояние между зондом и повсрхностью составляст десятки и согни ангстрсм, и сканп- 16~ 1О.и.
Гозоаии д Физика твердого тола, 50 (2008) с. 2113. 209 рованпс ведется в режиме действия на зонд сил притяжсния. Поскольку силы притяжения, дсйствуюшие на зонд на таких расстояшзях, достато пю слабы, лля рсгистрации отклонсшгя кантилсвсра используют специальные методы. К ним относятся метод модуляции амплитуды и метод модуляции частоты.
В этом режиме по сравнсшпо с конпгактцым режимом АСМ используется более жесткий кантилсвср, который засзавляют колебаться вблизи его резонансной частоты. Типичшяс значения частотгя составляют-100-400 кГц. а алшли'гуды - 10 А. Взаимодействие зонда с поверхностью образца приводит к изменению резонансной частоты~ кантилсвсра сл по закону т'- А — Н /с6 ". Если с помон1ью цепи обратной связи амплитуда илп резонансная частота колебаний кантилсвсра в процессе сканирования поддерживается постопшой, то зонд будет перемещаться по линии постоянного градиента действующей на нсго силы. Такой рсжим работы сканера называется режимом постоянного градиента и позволяст получать изображения поверхности с атомным разрешением [51. Преимущество бесконтактного метода состоит в том, что зонд нс контакзируст с образцом и поэтому пс разрушает его„ что позволяет проводить исследования нмягких» образцов и биологических об.ьскгов.
Полунонтактный режим работы АСМ аналогичен бесконтактному режиму с тем отличием, что в нижней точке своих колебаний зонд касается поверхности образца. В момент касания образца зонд испытывает нс только отгалкивающис, но и адгсзионныс, капиллярныс и ряд других снл. Взаимодействие зонда с поверхностью в процессе касания приводит к изменению как частоты, так и фазы колебаний кантилсвсра. Поэтому если гювсрхность образца является неоднородной по своим свойствам„ то можно получить афазовос» изображснис поверхности образца. Распределенно фазового сдвига по поверхности отражает распределение характеристик материала образца.
Метод отображения фазы позволяет получать псиную информацию в широкой ооласти применений, в некоторых случаях отображая неочевидные контрасты свойств материалов. Этот метод используется, например, для исследований биологических объектов, образцов с магнптнылш и электрическими характеристиками, а такжс для ряда других применений.
Основным пре- ' в У. Магйп, С.С. %11! 1ашл„Н.К. %Ысгаюал1ид!~с Д 3. Лрр!. Рьуя. 61 (19Х7) р.4723. 210 имуществом полуконтакт$$ого мстода является сго высокая чувствитсльность к различным взаимодействиям с поверхностью, что даггг воза(ожность помимо то$$огр1$(рии измсрять и такие хатракгсристики $$овсрхносги, как распрсдслснис вязкости и упругости. Сущсствуст нссколько мстодов дстсктирования отклонения кан'! илсвсра под дс$$ств$$св( мсжатомных сил: 1) измерение о$зсггонсн$1я кантилсвсра с помощью лазерного датчика ОтклОнсния; 2) измсренис сдвига рсзо$$а$$С$$О$$ частоты колсбапия кант.илсвс- ра; 3) измерение отклонения кантилевсра с помощью зонда СТМ.
лзтерзльнал сила (трение) потрафил лазерный источила т «-и сепеентный ° Ь: фотод иод лереыещенне '~~., ~,- -, "-.;) образна С -,~.'.. -- ':"" 'нантилевер - обратен М Ю-- Р$$с.5.17. 11риинин работы лазсриого датчика отклонсния зо$1аа лГ.'М. Лазсрнь1й луч оцтажасгся от внспгисй зсркальной 1итвсрхности кантилсвсра и попаласт на чсгмрсхсс1мсип$ий фото$1$$ол. При насзройкс иоложсния лазерного луча в Отсутсгвис взаимоасйсгвпя зонда с образном усгаиавливасзся ио иснтру фОтозиола (Гок иа каж;ктм $$3 чстырсх ссГысптОВ Одинаков).
П)ъи ск31и$роваиии взанмолсйсгвис зонда с повсрхпосзъто ооразиа засгавяяст кангилсвср изгигапься. приближая нли улаляя зонд о$- 1$О1$срхиос1з$, что приводит к отклонсии1о От'ражс$И1О1 о от кантилсвсра лазсрткзго луча, рсгистрирусз$ому по измснсии$О тока в каждом $п ссгмснтов фтполиода. чсг$$рсхсс1з$С$$$1$Ь$$$ фтподиол позволяст рсгистр$$ро$$ать ис только тоио1)заф$$1$1 ИОВс)зхиости (с1$аа, дсйсГВ)зо$иая иа зОж1 В 1$В11рттв$1сни$$11С)и1С1$лик) ля)зио к $1овсрх$$$$ст$1), но 1$ силы т)зси$1я. лсйствтгнинис иа зонд в латсральном направлении при сканировании " "' Я.Е.
А1$агат)о Н йиг(асс Иск)стк ап$1 (.С11сггь 2 (1а95) р.607. 2И В псрвой схсмс используется лазерный датчик отклонспия„устройств которого показано на рис.5.17. Лазсрный луч, падающий на внспппою отполированную повсрхпость края кантилсвсра, отражается от нсе и попадает на фотодиод, состоящий из четырех ссгмснтов. При пастройкс прибора гсомстрия расположсния лазсра и фо'годиода устапавливастся таким образом, чтобы в положснпс равновссия кантплсвсра 1т.с.
при отсутствии сил взаимодействия с повсрхностью) отражснный лазерный луч попадал в цсптр фотодстсктора. Отклонснис зонда в процессе сканирования приводит к отклонснию лазсрного луча и псрсмсщсншо сго пятна по фотодатчику. Измсряя соотношснис фототоков в всртикальных ссгмснтах фотодиода 1'см. рис.5.17) и зная гсомстрию приоора, можно опрсдслить измснснис расстояния мсжду зондом и повсрхностью образца, т.с. получить морфологию поверхности. Возникающая в процессе сканирования боковая сила (сила трсння) изгибает кантилевср в направлснии сканирования, что такжс можст быть зарс~истрировапо по изменению фототока в горизонтальных ссгмснтах фотадатчика.
Отметим, что для упрощения детектирования в данной схеме сканированис осущсствлястся путсм псрсмсщсния образца относительно неподвижного зонда. 5.5. Использование методов СЗМ в исследовании наноструктур и поверхности твердого тела Благодаря своим уникальным характсристикам„группа мстодов СЗМ являстся наиболсс широко используемой прн исследовании структур на повсрхности твердого тела. Так, пространствсннос разрешение метода СТМ позволяст наблюдать отдсльныс атомы на повсрхности и исследовать процсссы реконструкции повсрхности, адсорбцпи атомов, зарождспия и роста островков новой фазы.
Рсжим СТС дает возможность анализа электронных свойств поверхностных структур, дсфсктов и наноразмсрных объектов с атомным разрсшснисм. Мстод АСМ позволяет исслсдовать морфологи|о нспроводящих образцов, а также измерять локальную твсрдость, упругость, вязкость, сопротивление образца.
212 Рис.б.18. ГГМ-иаображснис рсконс~рунроваииой иовсркносгн крсмния %(111)7и7, получснной ири нанряжснии 1'=1.96 Б и туннсльном соке 1=0.4 нд: черным ромбом вылслсна элсмснгарная ячсйка, внутри которой находится 12 ачатомов. длины лиагоналсй составлягот ~Ыг=.46.6 Л, И =26.9 А (а); )ЗЛВ-модсль такаянаги рсконструкции 7к7 (Л вЂ” вил сворку. Б— вил сбоку): авсмснтарная ячейка содс)тк~гг 12 айатомов и 9 лимсров и)( ) 1 квь . )„2) $0.аг о,4 !. ! оь О яс )ПО) !' ° в 1 ; .-;,ч',-ч»,-;~~,-чч ч.,'г Одним из наиболее ярких примеров использования метода СТМ в истории исследования поверхности является наблюдение структуры реконструированной поверхности кремния Я(1!1)7к7.
Ранее с помощью метода ДМЭ было установлено, что эта реконструкция характеризуется периодом, превышающим период объемной решетки в семь раз, и элементарной ячейкой, содержащей 49 атомов Я. Однако детальное расположение этих атомов в ячейке оставалось неопределенным, а многочисленные модели этой структуры зачастую противоречили друг другу. На рис.5.18, а приведено топографическое СТМ-изображение реконструкции 7к7 поверхности Я(111) с атомным разрешением. Полученный рсзультат позволил полност1ио исюпочить из рассмотрения вес многочислснныс модели поверхности %11!1)7к7. Нссколько позже группе японских физиков под руководством К.
Такаянаги на основе экспериментов по просвечивающей электронной микроскопии и элекгронографии удалось построить свою, так называемую 0АБ-модель реконструкции 7к7 (см. рис.5.!8, б), которая предполагает реконструкпию и более глубоких слоев в приповерхностной области. ВАМ-модель хорошо согласуется с рсзультатами большинства экспериментов, 213 выполненных с использовагпвем ряда независимых методов, и в настоящее время считается общепринятой Иа рис.5.19 представлено СТМ-изображение поверхности кремния 81(111) с моиослосм щв1сорбированных ~~омо~ алюминия, обрввзувоших структуру поверхности %(111) — (з113 х БАГЗ)А1.
Изображе- нис получено в режиме постоянного тока при положительном напряжении на образце Г=+1.2 В, отвечающем туннслированию элекзронов из зонда в незаполненные злсктронныс состояния образца. СВетльве ООласти сООтВс'ге ГВуют адатомам А1, В то В1зсмя как тсмнью участки — областям чистой поверхности й(111). Наблюдаемый контраст изображения объясняется различием локалыюй электронной плотности у атомов А! и Я: р;орбитали атомов А1 являются незаполненными, в то время как у Я опи смещены по энергии ниже уровня Ферми и являются занятыми. Изменение полярности прикладывасмого к образцу напряжения приводит к обращению контраста изображения: атомы Я становятся более яркими, чем алатомы А1.
Этот пример демонстрирует тот факт, что методика СТМ чувствительна нс только к рельефу повсрхности исследуемого образца, но и к его локальной электрогпюй плотности поверхности в ~~. Рис.БЛ9. СТМ - изображсоис повсрхиосгп % с моиосжвсм алсорбироваиных атомов АС образуюваих повсрхвюсгиуво рспвпку ав11111-1 Зя 31Л1. полулсииос в рсжимс постоянного тока. Свстлыс кружки соглвсвствуют гномам Л1. тсмпыс — повсрхиосгиыс лсфскты в мопослос азатомов алю- ° ьвв мииия, прсяставаяювиис сооои атомы Я ' Рис. 5.20 демонстрирует возможность непосредственного исследОВяввия элсктроннОи ст1зукту1зы ПОВсрх!юстных дсфсктов с помощью измерения вольт-амперных характеристик с атомным разрешением.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
