Одержання АСМ зображення при постійній середній відстані між зондовим датчиком і зразком Zср=const відбувається наступним чином: Спочатку знімається залежність ?Z = f(z) і визначається точне положення зонда над поверхнею. Потім зворотний зв'язок розривається, і за допомогою ЦАП-Z виставляється обране оператором значення відстані зонд-поверхня. Після цього відбувається сканування зразка. Величина напруги з виходу попереднього підсилювача, пропорційна відхиленню кантилевера. Таким чином отримують малюнок поверхні.
При використанні кантилеверов із провідним покриттям можлива реєстрація вольт-амперних характеристик контакту зонд-зразок в обраній точці поверхні. Для одержання ВАХ ключ К2 замикається, і напруга пилкоподібної форми подається із ЦАП-U на кантилевер. Синхронно із цим напруга, пропорційна струму через контакт, підсилюється, записується за допомогою АЦП в пам'ять комп'ютера і ілюструється засобами комп'ютерної графіки.
2.3 Коливальні методики АСМ
Одним із недоліків контактних АСМ методик є безпосередня механічна взаємодія зонда з поверхнею. Це часто призводить до поломки зондів і руйнування поверхні зразків. Крім того, контактні методики практично не придатні для дослідження зразків, що володіють Рисою механічною жорсткістю (структури на основі ряду органічних матеріалів і багато біологічних об'єктів). Для дослідження таких зразків застосовуються коливальні АСМ методики, засновані на реєстрації параметрів взаємодії кантилевера, що коливаються, з поверхнею. Дані методики дозволяють істотно зменшити механічну дію зонда на поверхню в процесі сканування. Крім того, розвиток коливальних методик істотно розширив арсенал можливостей АСМ по вимірюванню різних властивостей поверхні зразків.
Точний опис коливань кантилевера зондового датчика АСМ є складним математичним завданням. Проте основні риси процесів, що відбуваються при взаємодії кантилевера, що коливається, з поверхнею, можна описати на основі спрощених моделей, зокрема моделі зосередженої маси. Представимо кантилевер у вигляді пружної консолі з зосередженою масою m на одному кінці. Інший кінець консолі закріплений на п'єзовібраторі ПВ (Рис. 16).
Рис. 16. Модель зондового датчика у вигляді пружної консолі з масою на кінці
Нехай пьєзовібратор здійснює гармонічні коливання з частотою щ:
(2.1)
Тоді рівняння такої коливальної системи запишеться
(2.2)
де член враховує сили в'язкого тертя з боку повітря, F0 - сила тяжіння та інші можливі постійні сили. Як відомо, постійна сила лише зміщує положення рівноваги системи і не впливає на частоту, амплітуду і фазу коливань. Провівши певні математичні операції, з'ясуємо, що зсув резонансної частоти дисипативної системи буде рівний
(2.3)
де Q = щ0/г - добротність системи, щrd - частота резонансної дисипативної системи, щ0 - частота в стані рівноваги. Це призведе до того, що амплітудно-частотна характеристика системи зміститься в область низьких частот (Рис. 17).
29
Рис. 17. Зміна АЧХ і ФЧХ в системі з дисипацією
Проте, як показують оцінки, для типових значень добротності кантилеверів в повітряному середовищі величина зсуву резонансної частоти унаслідок дисипації Риса. Вплив дисипації зводиться, в основному, до істотного зменшення амплітуди коливань і розширення амплітудно-частотної (АЧХ) і фазо-частотної (ФЧХ) характеристик системи (рис 17.).
2.4 Безконтактний режим коливань кантилевера АСМ
У безконтактному режимі кантилевер здійснює вимушені коливання з Рисою амплітудою близько 1 нм. При наближенні зонда до поверхні на кантилевер починає діяти додаткова сила з боку зразка FPS. При Ван-дер-ваальсовій взаємодії це відповідає області відстаней між зондом і зразком, де діє сила тяжіння. Проводячи математичні операції, було виявлено наявність градієнта сили взаємодії зонда з поверхнею зразка, приводить до додаткового зсуву АЧХ і ФЧХ системи (Рис 18)
Рис. 18. Зміна АЧХ і ФЧХ кантилевера під дією градієнта сили
Із рівнянь також видно, що наявність градієнта сили приводить до зсуву ФЧХ, так, що точка його згину щ* знаходиться на частоті
(2.4)
Отже, додатковий зсув фази за наявності градієнта сили буде рівне:
(2.5)
Він визначається похідною z-компоненти сили по координаті z. Дана обставина використовується для отримання фазового контрасту в АСМ дослідженнях поверхні.
2.5 "Напівконтактний" режим коливань кантилевера АСМ
Реєстрація зміни амплітуди і фази коливань кантилевера в безконтактному режимі вимагає високої чутливості і стійкості роботи зворотного зв'язку. На практиці частіше використовується так званий "напівконтактний" режим коливань кантилевера (іноді його називають переривисто-контактний, а в іноземній літературі - "intermittent contact" або "tapping mode" режими). При роботі в цьому режимі збуджуються змушені коливання кантилевера поблизу резонансу з амплітудою близько 10-100 нм. Кантилевер підводиться до поверхні так, щоб в нижньому напівперіоді коливань відбувався дотик до поверхні зразка (це відповідає області відштовхування на графіку залежності сили від відстані (Рис. 19).
Рис. 19. Вибір робочої точки при "напівконтактному" режимі коливань кантилевера
При скануванні зразка реєструється зміна амплітуди і фази коливань кантилевера. Взаємодія кантилевера з поверхнею в "напівконтактному" режимі складається з ван-дер-ваальсового взаємодії, до якої у момент дотику додається пружна сила, що діє на кантилевер з боку поверхні. Якщо позначити через z0 відстань між положенням рівноваги кантилевера, що коливається, і поверхнею, а через FPS(z(t)) - комбіновану силу, то рівняння руху кантилевера можна записати:
(2.6)
де координата z відраховуэться від поверхні. Відмітимо, що "напівконтактний" режим реалізується лише тоді, коли відстань Z0 менше амплітуди коливань кантилевера z0 < Q u0. Теорія "напівконтактного" режиму значно складніше за теорію безконтактного режиму, оскільки в цьому випадку рівняння, що описує рух кантилевера, дисить нелінійне. Сила FPS(z(t)) не може бути розкладена в ряд по малим z. Проте характерні особливості даного режиму схожі з особливостями безконтактного режиму - амплітуда і фаза коливань кантилевера залежать від ступеня взаємодії поверхні і зонда в нижній точці коливань кантилевера. Оскільки в нижній точці коливань зонд механічно взаємодіє з поверхнею, то на зміну амплітуди і фази коливань кантилевера в цьому режимі суттєвий вплив робить локальна жорсткість поверхні зразків.
Зсув по фазі між коливаннями збуджуючого п'єзоелектричного вібратора і сталими коливаннями кантилевера можна оцінити, якщо розглянути процес дисипації енергії при взаємодії зонда із зразком. При сталих коливаннях енергія, що приходить в систему, рівна енергії, що розсіюється системою. Енергія, що поступає в систему від п'єзовібратора за період коливань:
(2.7)
Вона витрачається на компенсацію втрат при взаємодії кантилевера з атмосферою і зразком.
Енергію EPA, що розсіюється в атмосферу за період, визначають таким чином:
(2.8)
Енергія EPS, що йде на компенсацію втрат при диссипативній взаємодії зонда із зразком, рівна:
(2.9)
З умови балансу
(2.10)
Припускаючи, що сталі коливання кантилевера мають вид
z=A•Cos(щt+ц),
одержуємо:
(2.11)
Звідси, для фазового зсуву
(2.12)
Таким чином, фазовий зсув коливань кантилевера в даному режимі визначається енергією диссипативної взаємодії зонду з поверхнею зразка.
Формування АСМ зображення поверхні в режимі коливань кантилевера проходить таким чином. За допомогою п'єзовібратора збуджуються коливання кантилевера на частоті з амплітудою Ащ. При скануванні система зворотного зв'язку АСМ підтримує постійну амплітуду коливань кантилевера на рівні A0, що задається оператором. Напруга в петлі зворотного зв'язку (на z-електроді сканера) записується в пам'ять комп'ютера як АСМ зображення рельєфу поверхні. Одночасно при скануванні зразка в кожній точці реєструється зміна фази коливань кантилевера, яка записується у вигляді розподілу фазового контрасту.
Рис. 20. АСМ зображення ділянки поверхні плівки поліетилену одержані в "напівконтактному" режимі
(а) - рельєф поверхні, одержаний в режимі постійної амплітуди
(б) - відповідний розподіл фазового контрасту
Рис. 21. Зображення наноструктур ZnO та GaAs
Рис. 22. Зображення окремих елементів оксиду цинку
Висновок
Отже, в даній роботі було розглянуто метод атомно-силової мікроскопії, як один із видів скануючої зондової мікроскопії. було розглянуто принцип роботи і режими роботи. Представлені деякі знімки, отримані цим методом.
Проте потрібно сказати, на перерахованих вище методиках можливості СЗМ далеко не закінчуються. Тут проілюстровані тільки найпоширеніші методики роботи. Вельми дуже перспективним є такий напрям розвитку СЗМ як нанолітографія і наноманіпуляції, комбінування приладів з різного роду спектральними аналізаторами, реалізація методик, здатних виявляти підповерхневі дефекти (на основі збудження ультразвукових коливань в зразку, теплового збудження і ін.), створення багатоканальних сенсорів, в яких використовується не один зонд, а десятки і навіть тисячі. Теоретично, СЗМ може відобразити будь-яку поверхню, будь-якої форми і в будь-яких умовах. Реалізація стримується тільки апаратними обмеженнями, але враховуючи темпи розвитку електронної техніки, вже найближчим часом можна чекати істотного розширення сфери застосувань СЗМ. Також розглядається можливість за допомогою СЗМ впливати на поверхню (наприклад, фірма ІВМ створили нанонапис «ІВМ»).
Література
R.D. Young. Field emission ultramicrometer //Rev. Sci. Instruments, 37, p. 275-298 (1966).
R. Young, J. Ward and F. Scire. The Topografiner: an Instrument for Measuring Surface Microtopography // Rev. Sci. Instruments, 43, p. 999-1011 (1972).
G. Binning and H. Rohrer. Great zur rasterartigen Oberflachenuntersuchung unter Ausnutzung des Vakuum - Tunneleffekts bei kriogenischen Temperaturen // EUPatent 0 027 517Bl. Prioritat: 20.09.79 CH 8486/79.
G.Binnig, H. Rohrer, C.Gerber, E. Weibel/IPhys. Rev. Lett. 50, p. 120 (1986).
Быков B.A. Приборы и методы сканирующей зондовой микроскопии для исследования и модификации поверхностей // Дис. докт. тех. Наук, Гос. Научнфй центр, Гос. НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина, Москва, 393 с. (2000).
B.Capella, G. Dietler. Force-distance curves by atomic force microscopy //Surface Science reports, 34, p.p.1-104 (1999).
Рехвиашвили С.Ш., Дедков Г.В. // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докл. науч.-техн. семинара, М.:МНТОРЭСим. А.С. Попова, МЭИ, 1998, С. 205-209.
В.И. Иванов - Сканирующая туннельная микроскопия. // Приборы и техника експеремента, №5
В.С. Едельман - Развитие сканирующей туннельной и силовой микроскопии. // Приборы и техника експеремента, №1
С.Н. Магонов - Сканирующая силовая микроскопия полимеров и родственных материалов // Высокомолекулярные соединения. т38 №1
«Сканирующая зондовая микроскопия биполимеров» (Под ред. И.Я. Яминского) М.: Научный мир. 1997
А.П. Володин - Новое в сканирующей микроскопии // Приборы и техника експеремента, №6
С.А. Рыков - «Сканирущая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур», СПБ, Наука, 2001.
Р.З. Бихтизин, Р.Р. Галлямов - «Физические основы сканирующей зондовой микроскопии» Уфа, РИО БашГУ, 2003.
Ю.С. Бараш - «Силы Ван-дер-ваальса» М.: Наука, 1988.
А. Роуз-Инс, Е. Редерик - «Введение в физики сверхпроводимости» М.: Мир 1972.
Д.И. Блохинцев - «Основы Квантовой механики» М.: Наука, 1983.
D. Sarid - “Exploring scanning hrobe microscopy with “Matematika””, John Wiley & Sons, inc., New York? 1997
В.К. Неволин - «Основы тунельно-зондовой нанотехнологии: Учебное пособие» М.: МГИЭТ (ТУ), 1996
Интернет-сайт компании «НТ-НДТ» http://www.ntndt.ru
Страницы: 1, 2, 3
