Сканирующая зондовая микроскопия

Карельский Государственный Педагогический Университет
Сканирующая зондовая
микроскопия
Выполнила: Барбара О.
554 гр. (2007 г.)
Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ), его
строение и принцип действия
Сканирующая
зондовая
микроскопия
(СЗМ)
-
один
из
мощных
современных методов исследования морфологии и локальных свойств
поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением
Несмотря
на
многообразие
видов
и
применений
современных
сканирующих микроскопов, в основе их работы заложены схожие
принципы, а их конструкции мало различаются между собой. На рис. 1
изображена обобщенная схема сканирующего зондового микроскопа
(СЗМ).
1
Рис.1 Обобщенная схема сканирующего зондового микроскопа (СЗМ).
Принцип его работы заключается в следующем. С помощью системы
грубого позиционирования измерительный зонд подводится к поверхности
исследуемого образца. При приближении образца и зонда на расстояние
менее сотен нм зонд начинает взаимодействовать с поверхностными
структурами анализируемой поверхности. Перемещение зонда вдоль
поверхности образца осуществляется с помощью сканирующего устройства,
которое обеспечивает сканирование поверхности иглой зонда. Обычно оно
представляет собой трубку из пьезокерамики, на поверхность которой
нанесены три пары разделенных электродов. Под действием приложенных к
пьезотрубке напряжений Ux и Uy она изгибается, обеспечивая тем самым
перемещение зонда относительно образца по осям X и Y, под действием
напряжения Uz - сжимается или растягивается, что позволяет изменять
расстояние игла-образец.
Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г.
братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности
пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из кристалла
2
кварца, электростатических зарядов под действием механических
напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению,
меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии.
Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и
возникновение электрической поляризации внутри него в результате
воздействия
механического
напряжения
называют
прямым
пьезоэлектрическим эффектом.
Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект,
заключающиеся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического
кристалла, возникает механическая деформация под действием
приложенного к ней электрического поля; причём величина механической
деформации пропорциональна напряжённости электрического поля.
Пьезоэлектрический эффект наблюдается только в твёрдых диэлектриках,
главным образом, кристаллических. В структурах имеющих центр
симметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить
внутреннее равновесие кристаллической решётки и, следовательно,
пьезоэлектрическими являются кристаллы только 20 классов, у которых
отсутствует центр симметрии. Отсутствие центра симметрии является
необходимым,
но
не
достаточным
условием
существования
пьезоэлектрического эффекта, и поэтому не все ацентричные кристаллы
обладают им.
Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твёрдых аморфных и
скрытокристаллических диэлектриках.(Пьезоэлектрики – монокристаллы:
Кварц. Пьезоэлектрические свойства кварца широко используются в
технике для стабилизации и фильтрации радиочастот, генерирования
ультразвуковых колебаний и для измерения механических величин.
Турмалин. Основным преимуществом турмалина является большее
значение частного коэффициента по сравнению с кварцем. Благодаря этому,
а также из-за большей механической прочности турмалина возможно
изготовление резонаторов на более высокие частоты.
В настоящее время турмалин почти не используется для изготовления
пьезоэлектрических резонаторов и имеет ограниченное применение для
измерения гидростатического давления.
Сегнетова соль. Пьезоэлементы из сегнетовой соли широко
использовались в аппаратуре, работающей в сравнительно узком
температурном интервале, в частности, в звукоснимателях. Однако в
настоящее время они почти полностью вытеснены керамическими
пьезоэлементами.
Датчик положения зонда непрерывно отслеживает позицию зонда
относительно образца и через систему обратной связи передает данные о ней
в компьютерную систему, управляющую движением сканера. Для
регистрации сил взаимодействия зонда с поверхностью обычно используют
метод, основанный на регистрации отклонения луча полупроводникового
лазера, отраженного от кончика зонда. В микроскопах такого типа
3
отраженный пучок света падает в центр двух- или четырехсекционного
фотодиода, включенного по дифференциальной схеме. Компьютерная
система служит, кроме управления сканером, также для обработки данных от
зонда, анализа и отображения результатов исследования поверхности.
Как видим, структура микроскопа довольно проста. Основной интерес
вызывает взаимодействие зонда с исследуемой поверхностью. Именно тип
взаимодействия, используемый конкретным сканирующим зондовым
микроскопом, определяет его возможности и сферу применения. (слайд) Как
видно из названия, одним из основных элементов сканирующего зондового
микроскопа является зонд. Общей чертой всех сканирующих зондовых
микроскопов является способ получения информации о свойствах
исследуемой поверхности. Микроскопический зонд сближается с
поверхностью до установления между зондом и образцом баланса
взаимодействий определенной природы, после чего осуществляется
сканирование.
4
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), его строение и
принцип действия
Первым прототипом СЗМ стал сканирующий туннельный микроскоп (СТМ),
изобретенный в 1981г. учеными исследовательской лаборатории IBM в
Цюрихе Герхардом Биннигом и Хайнрихом Рёрером. С его помощью
впервые были получены реальные изображения поверхностей с атомарным
разрешением, в частности реконструкция 7х7 на поверхности кремния (рис.
2).
Рис.3 STM изображение поверхности монокристаллического кремния. Реконструкция 7 х
7
Все известные в настоящее время методы SPM можно условно разбить на три
основные группы:
– сканирующая туннельная микроскопия;
используется острая проводящая игла
в СТМ в качестве зонда
Если между иглой и образцом приложить напряжение смещения, то при
приближении острия иглы к образцу на расстояние порядка 1 нм между ними
возникает ток туннелирования, величина которого зависит от расстояния
"игла-образец", а направление - от полярности напряжения (рис. 4). При
удалении острия иглы от исследуемой поверхности туннельный ток
уменьшается, а при приближении - возрастает. Таким образом, используя
данные о туннельном токе в некотором множестве точек поверхности, можно
построить изображение топографии поверхности.
Рис.4 Схема возникновения тока туннелирования.
5
– атомно-силовая микроскопия; в ней регистрируют изменения силы
притяжения иглы к поверхности от точки к точке. Игла расположена на
конце консольной балочки (кантилевера), имеющей известную жесткость и
способной изгибаться под действием небольших ван-дер-ваальсовых сил,
которые возникают между исследуемой поверхностью и кончиком острия.
Деформацию кантилевера регистрируют по отклонению лазерного луча,
падающего на его тыльную поверхность, или с помощью пьезорезистивного
эффекта, возникающего в самом кантилевере при изгибе;
– ближнепольная оптическая микроскопия; в ней зондом служит оптический
волновод (световолокно), сужающийся на том конце, который обращен к
образцу, до диаметра меньше длины волны света. Световая волна при этом
не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка
“вываливается” из его кончика. На другом конце волновода установлены
лазер и приемник отраженного от свободного торца света. При малом
расстоянии между исследуемой поверхностью и кончиком зонда амплитуда и
фаза отраженной световой волны меняются, что и служит сигналом,
используемым при построении трехмерного изображения поверхности.
В зависимости от туннельного тока или расстояния между иглой и
поверхностью - возможны два режима работы сканирующего туннельного
микроскопа. В режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в
горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирования изменяется в
зависимости от расстояния до него (рис. 5а). Информационным сигналом в
этом случае является величина тока туннелирования, измеренная в каждой
точке сканирования поверхности образца. На основе полученных значений
туннельного тока строится образ топографии.
Рис. 5. Схема работы СТМ: а - в режиме постоянной высоты; б - в режиме постоянного тока
В режиме постоянного тока система обратной связи микроскопа
обеспечивает постоянство тока туннелирования путем подстройки
расстояния "игла-образец" в каждой точке сканирования (рис. 5б). Она
отслеживает изменения туннельного тока и управляет напряжением,
приложенным к сканирующему устройству, таким образом, чтобы
компенсировать эти изменения. Другими словами, при увеличении тока
система обратной связи отдаляет зонд от образца, а при уменьшении 6
приближает его. В этом режиме изображение строится на основе данных о
величине вертикальных перемещений сканирующего устройства.
Оба режима имеют свои достоинства и недостатки. В режиме постоянной
высоты можно быстрее получить результаты, но только для относительно
гладких поверхностей. В режиме постоянного тока можно с высокой
точностью измерять нерегулярные поверхности, но измерения занимают
больше времени.
Имея высокую чувствительность, сканирующие туннельные микроскопы
дали человечеству возможность увидеть атомы проводников и
полупроводников. Но в силу конструктивных ограничений, на СТМ
невозможно получить изображение непроводящих материалов. Кроме того,
для качественной работы туннельного микроскопа необходимо выполнения
ряда весьма строгих условий, в частности, работы в вакууме и специальной
подготовки образца. Таким образом, хотя и нельзя сказать, что первый блин
Биннига и Рёрера получился комом, но продукт вышел немного сыроват.
Прошло пять лет и Герхард Биннинг совместно с Калвином Куэйтом и
Кристофером Гербером изобрели новый тип микроскопа, названный ими
атомно-силовым микроскопом (АСМ), за что в том же 1986г. Г. Бинниг и Х.
Рёрер были удостоены Нобелевской премии в области физики. Новый
микроскоп позволил обойти ограничения своего предшественника. С
помощью АСМ можно получать изображения поверхности как проводящих,
так и непроводящих материалов с атомарным разрешением, причем в
атмосферных условиях. Дополнительным преимуществом атомно-силовых
микроскопов является возможность наряду с измерениями топографии
поверхностей визуализировать их электрические, магнитные, упругие и др.
свойства.
Атомно–силовой микроскоп (АСМ), его строение и принцип
действия
Важнейшей составляющей AСM (Атомно-силового микроскопа)
являются сканирующие зонды – кантилеверы, свойства микроскопа
напрямую зависят от свойств кантилевера.
Кантилевер представляет собой гибкую балку(175х40х4 мкм усредненные данные) с определенным коэффициентом жесткости k (10-3 –
10 Н/м), на конце которой находится микро игла (рис 1). Диапазон
изменения радиуса закругления R наконечника иглы с развитием AFM
изменялся от 100 до 5 нм. Очевидно, что с уменьшением R микроскоп
позволяет получать изображения с более высоким разрешением. Угол при
вершине иглы  - также немаловажная характеристика зонда, от которой
зависит качество изображения.  в различных кантилеверах меняется от
7
200 до700, не трудно предположить, что чем меньше , тем выше качество
получаемого изображения.
Рис.6 Изображение кантилевера NCS16
Качество и достоверность изображений зависят от физических и
химических свойств зонда. Как правило, зонды изготавливаются из Si,
SiO2 иSi3N4, также существуют зонды с различными химическими
покрытиями, о цели которых будет сказано ниже. Например, при
сканировании в кантилевере могут возникнуть собственные механические
колебания из-за возвратно-поступательных движений относительно
образца. Для того чтобы этого избежать, необходимо повысить частоту
собственных колебаний зонда 0. Это, в свою очередь, достигается
посредством уменьшения эффективной массы зонда meff и увеличения
коэффициента жесткости системы k. Резонансная частота 0 определяется
формулой:
1  к
0 
2  meff
1
2


 ,
поэтому для повышения 0 длина кантилевера (от которой зависит
коэффициент жесткости) составляет порядка нескольких микрон, а масса
8
не превосходит 10-10 кг. Резонансные частоты различных кантилеверов
колеблются от 8 до 420 kГц.
Метод сканирования при помощи AFM следующий (рис 2): игла
зонда находится над поверхностью образца, при этом зонд относительно
образца совершает движения, подобно лучу в электроннолучевой трубке
телевизора (построчное сканирование). Лазерный луч, направленный на
поверхность зонда (которая изгибается в соответствии с ландшафтом
образца), отразившись, попадает на фотоприемник, фиксирующий
отклонения луча. При этом отклонение иглы при сканировании вызвано
межатомным взаимодействием поверхности образца с ее наконечником.
При помощи компьютерной обработки сигналов фотоприемника удается
получать трехмерные изображения поверхности исследуемого образца.
Рис 7. Схема общего принципа работы атомно-силового микроскопа.
1 - кантилевер с иглой,
2- лазер,
3 – пьезоманипулятор точных перемещений,
4 – четырехсекционный фотодиод,
5 – острие, зондирующее образец.
9
В основе работы атомно-силовых микроскопов лежит использование
различных видов силового взаимодействия зонда с поверхностью, а не
эффекта туннелирования.
На рис. 6 схематически представлена кривая зависимости межатомной
силы от расстояния между острием иглы и образцом. По мере приближения
иглы к поверхности атомы иглы начинают все сильней притягиваться к
атомам образца. Сила притяжения будет возрастать до тех пор, пока атомы
не сблизятся настолько, что их электронные облака начнут отталкиваться
электростатически. При дальнейшем уменьшении межатомного расстояния
электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу
притяжения. Эти силы уравновешиваются при расстоянии между атомами
порядка двух ангстрем.
Рис. 8. Зависимость силы межатомного взаимодействия от расстояния между острием и образцом
Силы взаимодействия зонда с поверхностью разделяют на
короткодействующие и дальнодействующие. Короткодействующие силы
возникают на расстоянии порядка 1-10A при перекрытии электронных
оболочек атомов острия иглы и поверхности быстро падают с увеличением
расстояния. В короткодействующее взаимодействие с атомами поверхности
вступает только несколько атомов (в пределе один) острия иглы. При
получении изображения поверхности с помощью этого типа сил АСМ
работает в контактном режиме.
Существуют контактный режим сканирования, когда игла зонда
касается поверхности образца, прерывистый – зонд при сканировании
периодически касается поверхности образца и бесконтактный, когда зонд
находится в нескольких нанометрах от сканируемой поверхности
(последний режим сканирования редко используется, т. к. силы
взаимодействия зонда с образцом практически трудно зафиксировать).
Возможности СТМ
10
• СТМ научили не только различать отдельные атомы, но и определять
их
форму.
Многие еще не успели до конца осознать тот факт, что сканирующие
туннельные микроскопы (СТМ) в состоянии распознавать
индивидуальные атомы, как уже сделан следующий шаг: теперь стало
возможным определение даже формы отдельного атома в реальном
пространстве (точнее – формы распределения электронной плотности
вокруг атомного ядра).
Ближнепольный оптический
принцип действия
микроскоп,
его
строение
и
Ближнепольная оптическая микроскопия; в ней зондом служит
оптический волновод (световолокно), сужающийся на том конце, который
обращен к образцу, до диаметра меньше длины волны света. Световая волна
при этом не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка
“вываливается” из его кончика. На другом конце волновода установлены
лазер и приемник отраженного от свободного торца света. При малом
расстоянии между исследуемой поверхностью и кончиком зонда амплитуда и
фаза отраженной световой волны меняются, что и служит сигналом,
используемым при построении трехмерного изображения поверхности.
Если заставить свет пройти через диафрагму диаметром 50-100 нм и
приблизить ее на расстояние несколько десятков нанометров к поверхности
исследуемого образца, то, перемещая такой «источник света» по поверхности
от точки к точке (и обладая достаточно чувствительным детектором), можно
исследовать оптические свойства данного образца в локальной области,
соответствующей размеру отверстия.
Именно так устроен сканирующий ближнепольный оптический
микроскоп (СБОМ). Роль отверстия (субволновой диафрагмы) обычно
выполняет оптоволокно, один конец которого заострен и покрыт тонким
слоем металла, везде, кроме небольшой области на самом кончике острия
(диаметр «незапыленной» области как раз составляет 50-100 нм). С
другого конца в такой световод поступает свет от лазера.
11
Рис.9 Схема устройства ближнепольного оптического микроскопа
С помощью СБОМ можно изучать оптические явления с пространственным
разрешением 30-50 нм. На рисунке 2 видно, как выглядит сама картина
дифракции при фокусировании света 100-кратным объективом в обычном
световом микроскопе. Искусственная гамма цветов в данном случае помогает
лучше понять характеристики объекта: переход от зеленого к красному здесь
– это половина высоты пика интенсивности сигнала, т.е. размеры красного
пятна показывают реальную разрешающую способность данной оптической
системы (оптического микроскопа). Отличительной особенностью СБОМ
является принципиальная необходимость работать с очень слабыми
сигналами.
Физическая лаборатория
Лаборатория сканирующей зондовой микроскопии создана в декабре 2005
года и является одной из базовых лабораторий кафедры нанотехнологии
физического факультета РГУ. В лаборатории имеются 4 комплекта
сканирующих
зондовых
микроскопов
NanoEducator,
специально
разработанных фирмой НТ-МДТ (г. Зеленоград, Россия) для проведения
лабораторных работ. Приборы ориентированы на студенческую аудиторию:
они полностью управляются с помощью компьютера, имеют простой и
наглядный интерфейс, анимационную поддержку, предполагают поэтапное
освоение методик.
12
Рис.10 Лаборатория сканирующей зондовой микроскопии
Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило основой для
развития нового направления нанотехнологии – зондовой нанотехнологии.
Литература
1. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7 i 7 Reconstruction on Si(111)
Resolved in Real Space // Phys. Rev. Lett. 1983. Vol. 50, № 2. P. 120-123.
Этой знаменитой публикацией открылась эпоха СТМ.
2. http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/1118.html
3. http://ru.wikipedia.org
4. http://www.ntmdt.ru/SPMTechniques/Principles/aSNOM_techniques/Scanning_Plasmon_Nearfield_Microscopy_mode94.html
5. http://scireg.informika.ru.
6. http://www.nanometer.ru/article_list.html
13