Рефераты. АСМ - атомно-силова мікроскопія

АСМ - атомно-силова мікроскопія

29

Зміст

Вступ

Розділ 1. Фізичні основи АСМ

1.1 Атомно-силова мікроскопія

1.2 Зондові датчики АСМ

1.3 Технологія виготовлення зондових датчиків АСМ

Розділ 2. Особливості застосування АСМ до нанообєктів

2.1 Контактна АСМ

2.2 Система керування АСМ при роботі кантилевера в контактному режимі

2.3 Коливальні методики АСМ

2.4 Безконтактний режим коливань кантилевера АСМ

2.5 "Напівконтактний" режим коливань кантилевера АСМ

Висновок

Література

Вступ

Історично, першими приладами, здатними, певною мірою, відобразити форму поверхні досліджуваного зразка були профілометри. При взаємному переміщенні зонда і зразка вздовж вибраного напряму на реєструючий устрій виводиться інформація про вертикальне переміщення зонда у відповідній точці поверхні. Сучасні профілометри мають вертикальний дозвіл близько 1 нм і латеральне - близько 100 нм. Власне кажучи, в скануючому зондовому мікроскопі (СЗМ) реалізований той же принцип: всякий СЗМ складається з твердотілого зонда, системи прецизійного трьохкоординатного переміщення (сканера), системи детектування, системи зворотного зв'язку, модуля обробки і відображення даданих , системи вібро- і шумоізоляції .

Ідея створення СЗМ була запропонована Расселом Янгом у 1966 р. і реалізована його групою в 1971. У цьому приладі, що став прообразом скануючого тунельного мікроскопа, було реалізоване контрольоване із субнанометровою точністю переміщення зонда щодо зразка , що дозволяло реєструвати моноатомні ростові ступені рівні .

Початком другого етапу в розвитку СЗМ вважають лічать роботи співробітників Швейцарського представництва фірми «IBM» Г. Біннінга і X. Рорера. У 1982 р. вони продемонстрували атомарне зображення реальної поверхні кремнію, одержане в розробленому ними скануючому тунельному мікроскопі (СТМ). При вимірюваннях вимірах на СТМ провідна поверхня зразка сканується ультрагострим металевим зондом за допомогою п'єзоелектричного приводу. Оскільки тунельний струм експоненціально зменшується при збільшенні відстані тунелювання , то він виникатиме тільки між крайнім атомом на вістрі зонда і поверхнею. Контролюючи субангстремні переміщення зонда і величину тунельного струму, можна проводити картографування поверхні з атомарним дозволом.

Геніальність робіт Г. Біннінга і X. Рорера полягає в усвідомленні можливості отримання атомарного дозволу за допомогою твердотільного твердотілого зонда. Дана технологія виявилася революційною в розвитку досліджень властивостей поверхонь і в 1986 р. вони були удостоєні Нобелівській премії. У цьому ж році Біннінг, Гербер і Вєїбел опублікували работу, в якій були виміряні сили взаємодії між гострим зондом і поверхнею за допомогою мікроконсолі (кантилевера ). Скануючий зонд знаходився на кінці кантилевера, а величина прогину останнього контролювалася тунельним зондом, поміщеним над ним. Цей тип мікроскопів вони назвали атомно-силовими. Контролюючи силу взаємодії (а не тунельний струм, як в СТМ), можна проводити картографування поверхні з атомарним дозволом зразків будь-якого типа (провідних, непровідних, органічних речовин, живих клітин і т. д) і за різних умов - у вакуумі, на повітрі або в рідкому середовищі.

Ідеї і інженерно-конструкторські рішення, запропоновані Біннінгом і Рорером, істотно спрощували апаратну реалізацію СЗМ , що дозволило вже в 1990 р. почати серійний випуск АСМ для широкого використання. Таким СЗМ став NanoScope II американської фірми Digital Instruments, мікроскопи якої зараз є загальновизнаним стандартом, а останні розробки - NanoScope IV, відкривають справді величезні можливості перед дослідниками. Менш ніж за 20 років свого існування зондові наноскопічні установки з із комп'ютерним управлінням і аналізом даних стали доступним лабораторним інструментом, а силова зондова мікроскопія розвинулася в самостійну передову область науки і техніки.

Розділ 1. Фізичні основи АСМ

1.1 Атомно-силова мікроскопія

Атомно-силовий мікроскоп (АСМ ) винайдений в 1986 році Гердом Біннігом, Келвіном Куейтом і Крістофером Гербером. В основі роботи АСМ лежить силова взаємодія між зондом і поверхнею, для реєстрації якого використовуються спеціальні зондові датчики, - пружна консоль з гострим зондом на кінці (Рис. 1). Сила, що діє на зонд з боку поверхні, приводить до вигину консолі. Реєструючи величину вигину, можна контролювати силу взаємодії зонда з поверхнею.

Рис. 1. Схематичне зображення зондового датчика АСМ

Якісно роботу ACM можна пояснити на прикладі сил Ван-дер-Ваальса. Найчастіше енергію Ван-дер-ваальсової взаємодії двох атомів, що знаходяться на відстані k, один від одного, апроксимують степеневою функцією - потенціалом Леннарда- Джонса:

(1.1)

Перший доданок в даному виразі описує дальньодіюче притягання, обумовлене, в основному, диполь-дипольною взаємодією атомів. Другий доданок враховує відштовхування атомів на Рисих відстанях. Параметр k0 -- рівноважна відстань між атомами, U0 - значення енергії в мінімумі.

Рис. 2. Потенціала Леннара-Джонсона

Потенціал Леннарда-Джонса дозволяє оцінити силу взаємодії зонда із зразком. Спільну Енергію системи можна одержати, підсумовуючи елементарні взаємодії для кожного з атомів зонда і зразка.

Тоді для енергії взаємодії:

(1.2),

де nS(r) i nP(rґ) - густини атомів в матеріалі зразка і зонда. Відповідно сила, що діє на зонд зі сторони поверхні, може бути розрахована наступним чином:

(1.3).

У загальному випадку дана сила має як нормальну до поверхні, так і латеральну (що лежить в площині поверхні зразка) складові. Реальна взаємодія зонда із зразком має складніший характер, проте основні риси даної взаємодії зберігаються - зонд АСМ відчуває тяжіння з боку зразка на великих відстанях і відштовхування на малих.

29

Рис. 3. До розрахунку енергії взаімодії зонда и зразка

Одержання АСМ зображень рельєфу поверхні пов'язане з реєстрацією малих деформацій пружної консолі зондового датчика. У АСМ для цього використовують оптичні методи (Рис. 4).

29

Рис. 4. Схема оптичної реєстрації вигину консолі зондового датчика АСМ, (1)-(4) - точки реєстрації струмів фотодіода

Оптична система АСМ юстирується так, щоб випромінювання напівпровідникового лазера фокусувалося на консолі зондового датчика,а відбитий пучок потрапляв в центр фоточутливої області фотоприймача. Як позиційно - чутливий фотоприймач, застосовують чотирьохсекційні напівпровідникові фотодіоди.

Основні реєстровані оптичною системою параметри - це деформації консолі під дією Z-компонент сил тяжіння або відштовхування (FZ) і деформації кручення консолі під дією латеральних компонент сил (FL) взаємодії зонда з поверхнею. Якщо позначити початкові значення фотоструму в секціях фотодіода через I01, I02, I03, I04, а через I1, I2, I3, I4 - значення струмів після зміни положення консолі, то різні струми з різних секцій фотодіода ?І1 = І1 - І01 однозначно характеризуватимуть величину і напрям вигину консолі зондового датчика АСМ. Дійсно, різниця струмів

пропорційна вигину консолі під дією сили, що діє по норРисі до поверхні зразка (Рис. 5 а).

Рис. 5. Відповідність між типом деформацій консолі зондового датчика і зміною положення плями засвічення на фотодіоді

А комбінація різницевих струмів вигляду

характеризує вигин консолі під дією латеральних сил (Рис. 5 (б)).

Величина ?Iz використовується як вхідний параметр в петлі зворотного зв'язку атомно-силового мікроскопа (Рис. 6). Система зворотного зв'язку (ЗЗ) забезпечує ?Iz = const за допомогою п'єзоелектричного виконавчого елементу, який підтримує вигин консолі ?Z рівним величині ?Z0, що задається оператором.

Просторова роздільна здатність АСМ визначається радіусом закруглення зонда і чутливістю системи. В даний час реалізовані конструкції АСМ, що дозволяють отримувати спостерігати окремі атоми при дослідженні поверхні зразків.

Рис. 6. Спрощена схема організації зворотного зв'язку в АСМ

1.2 Зондові датчики АСМ

Зондування поверхні в атомно-силовому мікроскопі проводиться, за допомогою спеціальних зондових датчиків, що є пружною консоллю -кантилевер (cantilever) з гострим зондом на кінці (Рис. 7). Датчики виготовляються методами фотолітографії і та послідуючим травленням. Пружні консолі формуються, в основному, із тонких шарів легованого кремнію SіO2 або Si3N4.

Один кінець кантилевера жорстко закріплений на кремнієвій підставі-утримачі. На іншому - розташовується власне зонд у вигляді гострої голки. Радіус закруглення сучасних АСМ зондів складає 1-50 нм залежно від типу зондів і технології їх виготовлення. Кут при вершині зонда - 10-200. Силу взаємодії зонда з поверхнею F можна оцінити таким чином:

(1.4)

де k -- жорсткість кантилевера; ?Z - величина, що характеризує його вигин. Коефіцієнти жорсткості кантилеверів k варіюються в діапазоні 10-3-10 Н/м залежно від використовуваних при їх виготовленні матеріалів і геометричних розмірів. При роботі зондових АСМ датчиків в коливальних режимах важливі резонансні властивості кантилеверів.

Рис. 7. Схематичне зображення зондового датчика АСМ

Власні частоти вигинистих коливань консолі прямокутного перетину визначаються наступною формулою:

(1.5),

де l - довжина консолі; Е - модуль Юнга; J -- момент інерції перетину консолі; с - густина матеріалу; S - площа поперечного перетину; л1 чисельний коефіцієнт (у діапазоні 1-100), що залежить від моди коливань.

Рис. 8. Основні моди коливань консолі

В АСМ застосовують, в основному, зондові датчики двох типів - з кантилевером у вигляді балки прямокутного перетину і з трикутним кантилевером, утвореним двома балками. Загальний вид і габарити зондових датчиків з прямокутною консоллю представлені на Рис. 9.

Рис. 9. Електронно-мікроскопічне зображення АСМ зонда, розташованого на прямокутній консолі

Іноді зондові датчики АСМ мають декілька кантилеверів різної довжини (а значить, і різної жорсткості) на одній основі. В цьому випадку вибір робочої консолі здійснюється відповідним юстируванням оптичної системи атомно-силового мікроскопа.

Страницы: 1, 2, 3



2012 © Все права защищены
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.