Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 46
Текст из файла (страница 46)
отталкивающей, это означает, что атомывступили в контакт (область 1 на рис. 8.36б). При дальнейшем сближении сила отталкивания нарастает стольбыстро, что будет уравновешивать практически любуюсилу, направленную на сближение. Если прижимать зондк образцу упругой силой кантилевера, то он станет изгиЧасть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ259баться.
При большом усилии будет также деформировать#ся поверхность образца, но расстояние между острием иповерхностью не изменится. Такое расстояние можно на#зывать контактным. Оно примерно равно z0.При работе в контактном режиме используются силыотталкивания. В равновесии сила отталкивания компенси#руется двумя силами, прижимающими зонд к поверхно#сти. Во#первых, это упругая сила кантилевера. Во#вторых,в атмосферных условиях между зондом и поверхностьюобразуется водяной мениск и появляется капиллярнаясила, которая является силой притяжения.Суммарная величина этих сил составляет 10–7–10–9 H.Как показывает опыт, такая сила вызывает деформацию,поддающуюся измерению. Например, для пружины с же#сткостью 1 Н/м удлинение составило бы 1–100 нм соот#ветственно.В контактном режиме обеспечивается постоянствосилы, действующей на зонд. При этом оператором задает#ся определенная величина прогиба кантилевера (обозна#чим ее Dz0).
Если в процессе сканирования зонд встречаетвыступ или впадину на поверхности, прогиб изменяетсяна некоторую величину Dz, что регистрируется оптическойсистемой АСМ. Луч лазера 5 (рис. 8.36а) отражается отверхней поверхности кантилевера и попадает в фотодетек#тор 6 (полупроводниковый фотодиод), регистрирующийфототок при изменении изгиба консоли. Значения фото#тока поступают в систему обратной связи, которая, изме#няя напряжение Uz на пьезодвигателе, поднимает илиопускает кантилевер с зондом. Таким образом, прогиб кан#тилевера поддерживается постоянным и равным Dz0. Су#ществуют и другие способы регистрации отклонения кан#тилевера.При сканировании напряжение на z#пьезодвигателе(Uz) записывается в память компьютера. Визуализацияизображения поверхности производится по тем же прин#ципам, что и для СТМ (см.
раздел 8.4.2). Изображениеможет быть, как и в случае СТМ, двухмерным (яркост#ным) или трехмерным. Пример трехмерного изображенияприведен в п. 8.4.6 на рис. 8.39.260НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьКонтактный режим применяется для исследованияповерхностей с высокой твердостью и прочностью. Недос&татки режима — большая вероятность повреждения зон&да и поверхности. Кроме того, этот режим не дает истин&ного атомного разрешения (за исключением отдельныхслучаев). На практике чаще используются два других ре&жима работы.Бесконтактный режим.
В этом режиме используютсямежатомные силы притяжения (область 2 на рис. 8.36б),расстояние от острия до поверхности ~5–10 нм. В областирасстояний, соответствующих бесконтактному режиму,наклон кривой меньше, чем в области сил отталкивания,и в этом режиме при изменении расстояния между остри&ем и образцом кантилевер отклоняется значительно мень&ше, чем в контактном режиме. Это снижает чувствитель&ность метода.
Поэтому применяется другой, более чувст&вительный способ детектирования изменения расстояния,на котором зонд находится от поверхности. Используетсядополнительный пьезоэлемент, который вызывает коле&бания кантилевера на частоте (обычно 0,2–0,3 МГц), близ&кой к собственной (резонансной), с амплитудой в несколь&ко нанометров. Величина резонансной частоты зависит отналичия внешней силы, поэтому при сканировании про&исходит изменение резонансной частоты из&за изменениярасстояния z. Система обратной связи поддерживает ре&зонансную частоту постоянной, опуская или поднимаякантилевер, когда зонд находится над впадиной или вы&ступом соответственно, сохраняя таким образом среднеерасстояние между острием и поверхностью.
Данные о вер&тикальных перемещениях сканирующего устройства ис&пользуются для формирования изображения.Преимущества бесконтактного режима — возможностьработы с мягкими и эластичными материалами (напри&мер, биологическими) и с материалами, свойства кото&рых могут меняться при касании зонда (например, полу&проводниковыми кристаллами и структурами). Следуетотметить, что если на поверхности имеется несколько мо&нослоев воды, то в контактном режиме АСМ даст изобра&жение поверхности, а в бесконтактном — изображениеЧасть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ261слоя воды, так что изображения в двух режимах могутразличаться.Полуконтактный режим (режим «обстукивания»).На практике чаще используется этот режим, он аналоги*чен бесконтактному. Кантилевер колеблется на резонанс*ной частоте с большой амплитудой (от нескольких десят*ков до 100 нм) и в амплитуде касается поверхности (об*стукивает ее).
При сближении зонда и образца происходитизменение резонансной частоты колебаний и увеличива*ется их демпфирование за счет ударов о поверхность. Этоприводит к уменьшению амплитуды колебаний. Системаобратной связи поддерживает амплитуду колебаний по*стоянной, поднимая (или опуская) кантилевер. Данные овертикальных перемещениях кантилевера используютсядля формирования изображения.В режиме «обстукивания» достигается атомное разре*шение. Вероятность повреждения образца меньше, чем вконтактном режиме, так как давление зонда на несколь*ко порядков слабее и зонд не цепляется за неровности по*верхности.
Чтобы зонд мог проходить через слой воды доповерхности и подниматься обратно, вертикальная силадолжна быть больше капиллярной.Разрешающая способность АСМ. Поскольку силывзаимодействия атомов острия и поверхности очень быст*ро уменьшаются с расстоянием, вертикальное разрешениеограничено собственными шумами системы детектирова*ния и тепловыми флуктуациями кантилевера. Верти*кальное разрешение может быть не хуже 0,1 нм. В гори*зонтальной плоскости разрешение зависит от радиусаострия зонда, расстояния между зондом и поверхностью,сил взаимодействия, упругости образца и других факто*ров. В настоящее время с помощью АСМ получены изобра*жения кристаллических поверхностей с реальным атомнымразрешением.Зондовые датчики АСМ. Зондовый датчик АСМ — этокантилевер с зондом на конце.
Такие датчики промыш*ленно изготовляются методами микролитографии из ма*териалов, широко используемых в полупроводниковойтехнологии (кремний, нитрид кремния).262НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьРис. 8.37Микроскопическоеизображение зондаАСМ на прямоугольном кантилевереабвОсновные параметры, определяющие свойства датчиков, — это радиускривизны острия зонда, коэффициентжесткости и частота собственных колебаний кантилевера. Радиус кривизны острия R может иметь значение от1 до 50 нм (обычно R ~ 10 нм). Длинаострия лежит в диапазоне 3–15 мкм. Нарис.
8.37 приведено электронномикроскопическое изображение зонда АСМна прямоугольном кантилевере.Наиболее распространенные формыкантилеверов — прямоугольная (I-образная) и треугольная (Vобразная).В последнем случае зонд крепится ввершине кантилевера, а два конца кантилевера укреплены на основании датчика.Коэффициент упругости (жесткость) k и собственная (резонансная)частота изгибных колебаний w определяются свойствами материала и размерами кантилевера. Коэффициент kопределяет чувствительность кантилевера, т. е. соотношение между силой, действующей на зонд, и отклонением кантилевера Dz имеет вид:|F| = k × Dz. Чтобы быть вибростойким,кантилевер должен иметь высокуюсобственную частоту w.
Значение wважно знать при использовании колебательных режимов работы АСМ.В таблице 2 приведены характерныезначения размеров и параметров дляРис. 8.38Микроскопические изображения зонда АСМс карбоновым острием (а) и с нанотрубкой(б); сканирование поверхности обычнымзондом (вверху) и нанотрубкой (внизу) (в)263Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИТаблица 2Типкантилевераl, мкмh, мкмd, мкм1, кГцk, Н/мI5образный1003521505,5V5образный11040221017,51двух типов кремниевых кантилеверов (l, h и d — длина,ширина и толщина балки кантилевера).Модифицированные зонды.
Возможности АСМ какинструмента исследований и нанотехнологий во многомопределяются его датчиком — зондом. Для специальныхисследовательских и технологических задач разработанымодифицированные кантилеверы и зонды. Вот несколькопримеров:1. Ультратонкие кантилеверы, способные детектиро5вать силы ~10–18 Н. Размеры кантилевера: l = 220 мкм,h = 6 мкм, d = 60 нм. Такие кантилеверы можно исполь5зовать для регистрации отдельного спина электрона.2. Пирамидальные острия с радиусом 10 нм, которыеполучаются микролитографией алмазной пленки, выра5щенной на оксидированной поверхности кремния. Высо5кая механическая твердость и электропроводность позво5ляют использовать подобные зонды в различных методахнанолитографии.3.
Кремниевый кантилевер с диодом Шоттки на ост5рие. Реагирует на изменение температуры, интенсивно5сти светового излучения, напряжения вдоль поверхности.4. Зонд с одноэлектронным транзистором, сформиро5ванным на острие. Предназначен для измерения потенци5ального рельефа поверхности.5. Вольфрамовый зонд с выращенным на конце с помо5щью специальной методики дополнительным, более тонким(5–20 нм), карбоновым зондом; такой зонд часто называютсверхострым алмазоподобным зондом (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
