Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Следовательно, силы взаимодействия образца с иглой по порядку величин совпадают с силами межатомного взаимодействия. Лля различных материаэов зонда и поверхности различаются и константы адсорбции, что существенно влияет на характер их взаимодействия. ~ 3 Системный подход "созданию зондовых сканирующих микроскопов В зав висимости от используемого физического эффекта взаимодействия зонда — иглы с иссл ~~едуемой поверхностью различают сканир1 югвае туикельаые микроскопы (СТМ) н ад2аяи! мер я~"а-сгсгавме микроскопы (АСМ).
Также разяиваются и другие конструкции, напри- Р бгизкаааяьиые сканирующие микроскопы. Все они объединены общим названием —— скаки аРуюиГие закдаеыелгикраскааы. Часть !. Вакуумная и плазменная электроника Таким образом, сканирующий зондовый микроскоп (ОЗК!) представляет собой прибор, который Р д " предоставляет возможность исследовать свойства поверхности в субмикронном диапазоне и на атомарном уровне.
Известные хонструкции сканиРуюших зондовых микроскопов состоят из следующих ос. новных элементов; (Э сенсор; Д пьезоэлектрические двигатели и (или) датчики; устройство управления — — электронная цепь обратной связи; устройство обработки и индикации информации. Приведем краткую характеристику этих элементов. 7.3.1. Сенсоры Основными типами сенсоров являются туннельный и атомно-силовой.
Тукнельяый сенсор представляет собой зонд — металлическое острие с малым радиусом закруглен ения на основе одиночных атомов или даже с последним атомом на острие (рис, 7.6). Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние 10 А, то при приложении между острием и образцом небольшого напряжения смещения !', (0,0! — !О В), через вакуумный промежуток г) начинает протекать туннельный ток (, порядка !О пА.
Электроны из образца туннелируют через туннельный промежуток в иглу или, наоборот, в зависимости от знака приложенного напряжения смещения. Полагая, что электронные состояния (орбитапи) локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении х или у с одновременным измерением выходного сигнала в цепи "можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне. Эта структура может быть отображена в двух режимах: измеряя туннельный ток и поддерживая расстояние г) от острия до поверхности с и об- разца: !Э измеряя изменения в положении острия (т.
е, расстояние до поверхности образца) при постоянном туннельном токе (этот режим используется чаще). Таким образом, туннельный ток используется как механизм для получения картинь ны исследуемой поверхности. Для его возникновения необходимо, чтобы образец и игла б гла были проводниками, либо полупроводниками. В качестве микроострия могут выступать о~дельные атомы на зонде (атомно-сил н -силовой ельефа сенсор). В связи с этим такой сенсор является идеальным зондом для изучения рел ф поверхности в атомарном масштабе. В атомно-силовом микроскопе используется механи ческий зонд каятллееер -- гс и -- гс или 7- образная консоль, на конце которой укреплено пирамидатьное острие.
Кантилеверь Ро леве ы про изводятся из кремния(жесткие) или из нитрида кремния(мягкие). В процессе перемещения кантилевера вдоль поверхности на него действуют сил силы, которые отклоняют кантилевер от положения равновесия (рис. 7.7). В соответствии с . и с законом за ается Рука соотношение между действующей на кантилевер силой Р:„и отклонением х з д следующим выражением: ) '„.= — кх, где )л — коэффициент жесткости (/г — ! НГлл).
777 7 Введение в эондовую микроскопию Рис. 7.7. Схема деформации кантилевера в процессе сканирования Рис. 7.6. Игла на свободном конце кантипевера ))Ля регистрации малых механических перемещений используется оптический датчик смецгений, состоящий из полупроводникового лазера и квалрантного (четырехсекционного) фотодиола (рис. 7.8). Излучение полупроводникового лазера с длиной волны 650— б70 нм фокусируется объективом в пятно диаметром -5 мкм на отражающей поверхности кантилевера. Отраженный луч попалает на квапрантныйг фотодетектор. Рис.
7.8. Принцип работы сипавага сенсарв с оптическим датчикам смещений Вертикальное отклонение регистрируется по разносгному сигналу (Л -с) — — (В РВ), а «рутильная деформация формирует сиг.нал (А ь В) — (С - гг). 7 З.2. Пьезоэлектрический двигатель оггтролируемое перемещение зонда на сверхмалых расстояниях осушествяяется с поз'гяззью яьезокераначеских дацглгнелей линейных перемещений П„лг, Вя (рнс.
7.9). Рис. тхь пьезоэлектрические двигатели линейных перемещений по поверхности (л„, и„) н аа глубине Г!, н цепь абрзтнан связи Часть 1. Вакуумная и плазменная электроника В качестве пьезоэлектрических преобразователей наиболее широко применяются цирконат титанат свинца — ЦТС (РХТ). )Ыатериалы имеют пьезоэлектрический коэффициент от 0,1 до 300 нм!В, что позволяет перемещать зонд на 0,01 нм при приложении напряжения 100 мВ. Пьезодвигатели исполняют также функцию точного позиционного зонда в пределах 10х10 мм с точностью — 0,1 А. 7.З.З. Устройство управления (обратная связь) управление процессом позиционирования зонда, а также получение информационных сигналов о состоянии исслелуемой поверхности осуществляется с помощью цепи отрицательной образиной связи, При приближении зонда к поверхности сигнал сенсора 1;, возрастает, Сигнал сенсора сравнивается с опорным напряженнем г;„, и в компараторе вырабатывается корректирующий сигнал Г„,„.
Этот сигназ поступает на управляющий пьезодаигателгь который отводит зонд от исследуемой поверхности. При исследованин туннельного сенсора приближение иглы к поверхности приводит к увеличению туннельного тока. Сигнал рассогласования подается на пьезопривод, который отводит зонд и, благодаря этому, сохраняется заданное расстояние от зонда до поверхности. В соответствии с теорией автоматического регулирования для поддержания некоторого параметра системы на заданном уровне 1'и например, сигнала на выходе электронного сенсора, необходимо выработать сигнал коррекции Р„ представляемый в виде суммы трех компонент: и, =ге+у+и,, где 1';, = Р(1тр) — Р; ) — пропорциональная компонента отклика; Г = т' ) ПТг) — 1')Й вЂ” интеграчьная компонента отклика; 1- 1э = тэ 1 В) - ~;) — дифференциальная компонента отклика; т1 Р— константа пропорциональности; ! — интегральная константа: тэ — дифференциальная константа.
Пропорциональная коьшонента отклика 1', обеспечивает фиксацию достаточно резког ого л .ать изменения сигнала рассогласования и;, = И В вЂ” 1;. для того чтобы достоверно изображат мелкие детали поверхности, значение величины Р должно быть достаточно большим. Интегральная компонента И ответственна за контроль отклика системы в области низки эких частот, пру~ими словами, именно ее фиксация обеспечивает обработку крупных летал алей поверхности. дифференциальная компонента Р играет роль стабилизирующего параметра. увеличени ние к оэтого параметра способствует уменьшению осцилляций и увеличению скорости сканир ванна.
7 Введение в аондовую микроскопию Су~дествуют цифровые и аналоговые системы обратной связи. Правильно отрегулирован- и„я обратная связь позволяет подобрать оптимальные параметры Р, 7 и и, 7 З,4. Устройство обработки и индикации информации управление и обработка данных осуществляется с помощью компьютера. Работой микроскопа управляез микропроцессор, совместимый с!ВМ РС. Индикация осуцзествляется на экране монитора в специальном многоканальном режиме. 7.4. Возможности зондовой микроскопии ПОСЛЕДНЕЕ Дсевтнпстнс В ЭЛЕКТРОНИКЕ ИНТЕНСИВНО РаЗВИВаЮтСЯ ПРИНЦИПИШ1ЬНО НОВЫЕ методы изучения поверхностей с нанометровым и атомарным пространственным разрешением и, прежде всего, сканирующая зондовая микроскопия.
Данный термин относится к любым типам микроскопов, в которых изображение формируется за счет перемещения (сканирования) острого микрозонда (иглы) над иссзедуемой поверхностью. Родоначальником таких приборов был сканирующий туннельпый микроскоп (СТМ). Главным достоинством современных СЗМ являются: С! возможность получения достоверных данных о высоте микрорельефа; О отсутствие дополнительных промежуточных процедур (напыление, изготовление реплик), снижающих достоверность результатов; возможность получения нанометрового, а иногда и ангстремного разрешения на воздухе.
СЗЫ может применяться для проведения специальных воздействий и нанолитографическнх операций на нанометровом уровне — токовых, электрополевых воздействий, механических, химических и пр. СЗМ! может быть использован для исследований в биологии и медицине, в материаловедении, в исследованиях различных покрытий и тонких пленок, полимерных и наноструктурированных материалов, в химии и химической промьппленности, физике и т, д. (рис. 7. (О).
рис. 7,10. Фрагмент инте~ран~ной схемы, полученный на микроскопе ЕОЮЕВ Е-МГзт. Попе сканирования 100 100 мкм СЗй ЗМ имеет широкое применение: (З в науке (в области образования, об1Цей метрОЛОгии, материаловедснии, в исслЕдаваниях структур металлов и сплавов, в исследованиях полупроводниковых приборов и интегральных схем, свойств тонких пленок, в разработках запоминающих сред, в том ~исле для терабитной памяти,для манипуляций на нанометровом уровне); Часть!.
Вакуумная и плазменная электроника Литография Спектрссхопия Измерение локальной рабаты выхода адсорбцисннык ха акте котик Литография Механическая Электрахимическая Рис. 7.11. Классификация основных методик СЗМ БОМ=ЗНОМ Бпизкапальный сптическии микроскоп Анализ локального распределения спектральных ха акте истик СЗ =ЗРМ Сканирующая зондсвая мик скопия АСМ=АРМ Атомно-силовая микроскопия с м=зтм Сканирующая туннельная мик скопца типография 1атомарное вз ешение Распределение злектроннай плотности мерение покальнои спектральной плотности состояния туннепирующих злекг онов Анализ локального злектропотенциапа (вт ч работы выхода- Кельвин микроскопия) !В1 у Введение в аондовую микроскопию г2 в лроьчьннленноглш (в металлургии и металлообработке, оптической промышленности, при анализе качества поверхности материалов, мепицине н медицинской проьгглшленностгп в производстве порошковых материалов, красок, загинтных покрытий, в микроэлектронике, в производстве компаюг-дисков, накопителей и устройств записи-считывания лля ЗУ сверхбольшой емкости).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
