Реферат: Сканирующая зондовая микроскопия

(Рис.6)

Функциональная схема работы АСМ в режиме поддержания постоянной силы может быть описана следующим образом:

Разностный сигнал с регистрирующей системы усиливается и подается на интегратор. При отклонении от заданного значения он воспринимается как сигнал ошибки и интегрируется, что обеспечивает правильную отработку системой постоянного смещения пьезодвижителя. Сигнал с интегратора подается на высоковольтный усилитель, а с него на пьезодвижитель, что компенсирует возникшую ошибку. Обратная связь поддерживает сигнал рассогласования вблизи заданного уровня. Напряжение с интегратора подается на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, поскольку необходимо обеспечить разную чувствительность измерительной части прибора при работе с атомарным разрешением и на образцах с грубым рельефом. Затем сигнал подается на аналого-цифровой преобразователь, а оттуда через интерфейсную плату записывается в память компьютера и интерпретируется как рельеф образца. Сила прижима кантилевера к образцу выставляется при начальной юстировке фотодиода. Дополнительный блок установки смещения обеспечивает возможность изменения силы прижима в подведенном положении. При этом обратная связь обеспечивает поддержание разностного сигнала. Дистанционная регулировка силы увеличивает удобство работы с прибором. (При отклонении разностного сигнала от нуля начинают проявляться шумы интенсивности лазера. Поэтому нужно осторожно применять электронную регулировку силы на образцах с малым рельефом, например, при достижении атомарного разрешения

Точность работы применяемой здесь интегральной обратной связи зависит от петлевого коэффициента усиления. Достижение максимальных скоростей сканирования требует быстрой работы обратной связи. Для увеличения скорости отработки обратной связью сигнала ошибки выгодно ставить максимальный коэффициент петлевого усиления. Но при слишком большом коэффициенте усиления может быть достигнут порог генерации. Работа вблизи порога генерации характеризуется большими переколебаниями и поэтому точность падает. С друюи стороны при слишком малых коэффициентах усиления обратная связь не успевает отслеживать резкие изменения релье­фа, что также снижает точность измерений. Поэтому существует оптимальный коэффициент усиления для каждой системы зонд-образец, который обеспечивает максимальную точность работы обратной связи и достоверность данных.

На петлевой коэффициент усиления влияет несколько причин. В зависимости от применяемого кантилевера при прочих равных параметрах он может изменяться в несколько раз. Коэффициент усиления изменяется обратно пропорционально длине кантилевера, и следовательно, чем кантилевер короче, тем выше коэффициент передачи. Кроме того, коэффициент усиления может заметно изменяться в зависимости от юстировки кантилевера. Оператор может контролировать петлевой коэффициент усиления регулировкой усилителя с изменяемым коэффициентом усиления в инте­граторе.

При больших значениях петлевого усиления генерация возникает на частотах первого резонанса пьезосканера. Для сканера с полем 11х11 мкм2- примерно 10 кГц, с полем 25Х25 мкм2 около 7,5 кГц. Частота генерации зависит от массы образца. Для устранения генерации достаточно умень­шить коэффициент усиления регулируемого усилителя. При этом амплитуда автоколебаний будет уменьшаться без изменения частоты.

При наличии большого трения между образцом и иглой также может возникать другой вид гене­рации.

Для него характерно, что при уменьшении коэффициента усиления в петле обратной связи, часто­та уменьшается без изменения амплитуды, причем может достигать долей герца, но тем не менее генерация всегда присутствует. Избежать этого вида генерации можно уменьшением силы трения за счет уменьшения силы взаимодействия или использованием коротких кантилеверов. При сканировании амплитуда генерации значительно падает, поэтому во многих случаях ее присутствие практически не сказывается на качестве изображения.

На полученном в результате сканирования изображении могут присутствовать сбои, имеющие вид отдельных линий в направлении сканирования, отличающихся по высоте от общего рельефа. Они вызваны тем, что игла цепляется за неровности рельефа и затем проскальзывают по  образцу или тем. что игла частично разрушает образец. Избежать таких сбоев можно подбором направления ска­нирования, уменьшением силы прижима, уменьшением скорости сканирования. Выбор направления сканирования в различных режимах связан с тем, что кантилевер по-разному ваимодействует с возникающими изменениями рельефа. При сканировании в положительном направлении (+Y) можно считать, что кантилевер движется снизу вверх относительно изображения поверхности на мониторе (на самом деле сканирование осуществляется образцом, который движется в обратном направлении). При этом он наезжает на препятствия пологим склоном иглы и при этом преодолевает их. При таком варианте сканирования сбои - срывы кантилевера возникают реже. Если же он наезжает на препятствия стороной под углом 75, то он значительно чаще цепля­ется за неровности и чаще возникают сбои на изображении. Вообще, в зависимости от образца необходимо подбирать направление сканирования. В части случаев оказывается выгодным скани­ровать на +Х или -X, например, при снятии изображения боковых сил. На изображении могут возникать характерные следы связанные с особенностями рельефа в на­правлении быстрого сканирования, обусловленные конечной скоростью работы обратной связи. Их величина зависит от скорости сканирования, петлевого коэффициента усиления, характера рельефа. Если во время сканирования регистрировать сигнал ошибки обратной связи, то эти от­клонения будут хорошо видны. Получившееся изображение содержит практически всю потерян­ную при снятии топографии информацию. Используя результаты сканирования в режиме топо-графии и в режиме регистрации ошибки обратной связи, можно точнее восстанавливать топогра­фию поверхности.                         

2.2.2.3   Режим снятия изображения сил.

Работа АСМ с использованием обратной связи приводит к увеличению уровня шумов, частичной потере информации о топографии поверхности или ограничению скорости сканирования. В неко­торых случаях оказывается полезным использование режима сканирования при котором обратная связь отключается, положение пьезосканера по Z фиксируется, а регистрируемым сигналом стано­вится непосредственно сигнал расcогласования в фотодиоде. Это режим постоянной высоты (Z=соnst). В этом случае сила прижатия кантилевера к поверхности изменяется в процессе ска­нирования, Однако, если образец достаточно жесткий, получаемое изображение хорошо отражает топографию поверхности. Используя результаты снятия зависимости прогиба кантилевера от рас­стояния между зондом и образцом, можно пересчитать регистрируемый ток в линейные размеры. Однако нужно помнить, что при больших отклонениях от нулевого положения зависимость раз­ностного сигнала рассогласования от перемещения зонда становится нелинейной. Примерный диапазон линейности зависит от кантилевера: чем короче кантилевер, тем меньше диапазон. Динамика отслеживания поверхности в этом режиме ограничена частотными свойствами кантиле­вера, а не обратной связи. Резонансные частоты кантилеверов значительно выше характерной час­тоты обратной связи, которая составляет единицы килогерц. Это дает возможность сканировать с более высокими скороcтями

1.2.2.4   Режим регистрации ошибки обратной связи.

Ошибка обратной связи, возникающая при сканировании в режиме топографии, содержит допол­нительную информацию о топографии. Она может быть использована для более точного восста­новления рельефа.

Однако этот режим можно рассматривать как промежуточный между режимом постоянной силы и постоянной высоты, если отрегулировать скорость отработки обратной связи так, чтобы она от­слеживала пологие изменения рельефа и не успевала отслеживать крутые. Тогда во время пересечения зондом небольших неоднородностей сканирование будет происходить при почти постоян­ной длине пьезосканера. В результате на изображении будут слабо проявляться медленные изменения рельефа и с высоким контрастом - резкие. Это может быть полезно для отыскания мелких     неоднородностей на большом поле на фоне крупных пологих особенностей рельефа.

1.2.2.5   Измерение боковых сил

Во время сканирования по +Х или -X возникает дополнительная крутильная деформация кантиле­вера. Она обусловлена моментом сил, действующих на острие иглы. Угол кручения при неболь­ших отклонениях пропорционален боковой силе. Измерительная система микроскопа позволяет регистрировать кручение кантилевера. Луч лазера, отраженный от кантилевера, получает в этом случае дополнительное смещение в боковом направлении (Рис.6). В этом случае регистрируется сигнал (А+В) - (С+D). Для измерения боковых сил АСМ работает в режиме поддержания посто­янной силы, т.е. как при снятии топографии.

При движении по плоской поверхности, на которой присутствуют участки с разным коэффициан-том трения, угол кручения будет изменяться от участка к участку (Рис.7).

Это позволяет говорить об измерении локальной силы трения. Если присутствует рельеф, то такая интерпретация невозможна (Рис, 8).

 Тем не менее, этот вид измерений позволяет получать изо­бражения, на которых хорошо видны мелкие особенности рельефа, и облегчать их поиск. В режиме измерения боковых сил легко получать атомарное разрешениена слюде и некоторых других слоистых материалах.

Следует отметить, что при измерении топографии с атомарным разрешением получается атомар­ный рельеф до нескольких ангстрем, тогда как реальный рельеф составляет доли ангстрема. Такая большая величина рельефа объясняется влиянием крутильной деформации кантилевера из-за неидеальности регистрирующей системы - кручения кантилевера воспринимается как его продоль­ный изгиб. Это возникает например даже при очень небольшом угле поворота фотодиода относи­тельно направления движения луча при продольном изгибе кантилевера.

2.2.3  Вибрационные и модуляционные методы измерений

На базе различных принципов зондовой микроскопии были разработаны многочисленные методы получения информации о свойствах поверхности, использующие вибрацию зонда или образца или модуляцию параметра.

Использование вибрации или модуляции на достаточно высокой частоте позволяет, с одной сто­роны, регистрировать дифференциальные характеристики, поддерживая постоянные средние значения величин, а с другой стороны - значительно уменьшать величины шумов с частотной зависи­мостью 1/f(где f - частота) за счет переноса спектра сигнала из области вблизи 0 Гц в область вы­соких частот.

В числе общих преимуществ отдельных вибрационных методов можно назвать, во-первых, ис­пользование резонансных свойств системы, что позволяет существенно повысить чувствитель­ность по сравнению со статическим измерением, а во-вторых, уменьшение сил взаимодействия, в частности, боковых, между зондом и поверхностью в бесконтактном (полуконтактном) режимах. В СТМ-режиме вибрация образца или иглы позволяет модулировать туннельный зазор и, детек­тируя изменения туннельного тока, получать сигнал dI/dz, дающий информацию о локальной вы­соте потенциального барьера для электронов (локальной работе выхода). Модуляция туннельного напряжения u в СТМ - режиме позволяет регистрировать сигнал dI/dz, определяемый локальной спектральной плотностью состояний.

В АСМ режиме вибрация образца и регистрация амплитуды отклика кантилевера дает информа­цию о локальной жесткости образца. Детектирование амплитуды и/или фазы колебаний кантиле­вера, возбуждаемого ньезоэлементом, позволяет сканировать в бесконтактном и полуконтактном режиме рельеф поверхности даже таких образцов, которые нельзя исследовать в контактном ре­жиме ввиду того, что они легко деформируются или разрушаются иглой кантилевера. Эти режимы позволяют также использовать кантилеверы с тонкими и очень острыми иглами, которые в кон­тактном режиме сами легко разрушаются.

1.2.3.1   СТМ-методы

Режим измерения локальной высоты барьера

В режиме измерения локальной высоты потенциального барьера для туннелирующих элекронов, которую можно с некоторой натяжкой называть локальной работой выхода, сигнал модуляции прикладывается к 2-обкладкам пьезотрубки. Обратная связь в процессе сканирования поддержи­вает низкочастотную составляющую туннельного тока постоянной. При этом регистрируется ам­плитуда высокочастотных колебаний туннельного тока, модуляцией туннельного промежутка из-за вызванных вибраций пьезотрубки.

В приближении простейшей одномерной модели туннелирования электрона через прямоугольный потенциальный барьер высотой Fi, зависимость туннельного тока I от ширины барьера z выража­ется экспоненциальным множителем

Дифференцированием этого множителя получаем;

и,следовательно

т.е. производная туннельного тока по ширине туннельного зазора, нормированная на сам тун­нельный ток, дает информацию о локальной высоте потенциального барьера. Так как среднее значение туннельного тока в процессе сканирования поддерживается постоянным, и амплитуда вибрации пьезотрубки не меняется, то полученная в результате сканирования карти­на распределения амплитуды колебаний туннельного тока как раз и содержит информацию о рас­пределении величины Fi , и, следовательно, о химических свойствах поверхности. Реальная ситуация не столь проста, и амплитуда колебаний туннельного тока зависит еще от геометрии поверхности, от состава адсорбатов которые искажают форму потенциального барьера и кроме того, при измерениях на воздухе из-за наличия адсорбатов между иглой и поверхностью всегда существует заметная сила отталкивания, т.к. игла должна "продавить" слой адсорбата, прежде чем возникает заметный туннельный ток.

Это приводит к зависимости результатов измерений от локальной жесткости образца Так, в мес­тах, где жесткость образца ниже, вибрация приводит в большей степени к деформации самого об­разца, а не к деформации адсорбата и изменению туннельного зазора. Амплитуда модуляции тун­нельного тока уменьшается, создавая впечатление относительно пониженной работы выхода.Этот эффект следует учитывать при интерпретации результатов.

Режим спектроскопии

В режиме спектроскопии модулируется туннельное напряжение и между образцом и иглой, и ре­гистрируется амплитуда отклика туннельного тока на эту модуляцию. При этом постоянная со­ставляющая туннельного напряжения остается неизменной, и обратная связь поддерживает посто­янное среднее значение туннельного тока. Таким образом, результат измерения представляет собой производную dI/dU в заданной точке вольт-амперной характеристики. Поскольку форма вольт-амперной характеристики опрелеляется в первую очередь энергетическим спектром объемных и поверхностных электронных состояний иглы и образца, этот режим и полу­чил название режима спектроскопии.

В режиме спектроскопии, как и в режиме измерения локальной высоты барьера, важно, чтобы об­ратная связь успевала с высокий точностью поддерживать постоянным среднее значение I (если усилитель работает не в логарифмическом режиме), поскольку на многих образцж изменение среднего значения I из-за неровностей рельефа может привести к гораздо большим отклонениям амплитуды колебаний туннельного тока, чем изменение свойств поверхности.

2.2.3.2 АСМ-методы

К числу вибрационных методов АСМ относятся бесконтактный, полуконтактный режим и режим локальной жесткости.

Бесконтактным режим

Бесконтактный режим обеспечивает измерение Ван-дер-Ваальсовых электронных, магнитных сил вблизи поверхности, причем сила взаимодействия может быть очень малой (порядка 10-12Н), что позволяет исследовать очень чувствительные или слабо связанные с поверхностью объекты, не разрушая, и не сдвигая их.

Вкладыш - держатель кантилевера (Рис.9) содержит пьезокерамическую пластинку, вибрации которой передаются кантилеверу и возбуждают его колебания на требуемой частоте, которая во всех разновидностях этого метода выбирается в пределах одного из резонансных пиков на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ).

Рис. 9

Возбуждающий сигнал формируется цифровым синтезатором, содержащим высокостабильный кварцевый генератор, что позволяет поддерживать частоту сигнала с относительной точностью не хуже 10-5-10-6. Переменная составляющая сигнала с четырехсекционного фотодиода, обусловленная колебаниями кантилевера, усиливается и попадает на вход синхронного детектора, который можно формировать:

-  сигнал, пропорциональный амплитуде основной частоты или одной из гармоник.

-  сигнал сдвига фазы (колебаний кантилевера относительно возбуждающего сигнала.

-  либо сигнал произведения амплитуды на зт или соб сдвига фазы. Любой из перечис­ленных сигналов может быть включен в петлю обратной связи.

Вблизи поверхности образца вибрирующий с малой амплитудой кантилевер попадает в неоднородное силовое поле. Наличие градиента силы приводит к частотному сдвигу резонансного пика. Поэтому в случае возбуждения сигналом фиксированной частоты амплитуда и фаза колебаний кантилевера в неоднородном поле меняется.

Если обратная связь в процессе сканирования меняет положение зонда по нормали к образцу поддерживая амплитуду, либо фазу колебаний кантилевера постоянной (режим топографии),то результатом записи сигнала на выходе ОС в процессе сканирования является поверхность постоянного градиента силы.

Можно регистрировать изменения амплитуды либо фазы колебаний в процессе сканирования, не меняя расстояние между зондом и основанием образца (режим постоянной высоты). Возможен также режим, предусматривающий предварительное сканирование, топографии в кон­тактном или полуконтактном режиме, после чего производится повторное сканирование по тому же участку с поддержанием заданного удаления зонда от поверхности в каждой точке сканирования с регистрацией амплитуды либо фазы. Этот режим позволяет отделить информацию о магнитных и электрических свойствах поверхности от топографических данных , т.к. Вандер-Ваальсово притяжение кантилевера и поверхности остается практически неизменным при повторном сканирова­нии, поскольку расстояние между зондом и поверхностью не меняется, и, значит изменение ампли­туды и фазы колебаний вызываются другими дальнодействующими силами - электрическими либо магнитными.

Минимально возможное расстояние между иглой кантилевера и поверхностью образца в бескон­тактном режиме определяется, с одной стороны, свойствами иглы кантилевера и поверхности, а с другой стороны - жесткостью балки кантилевера. Если по мере приближения зонда к поверхности по достижении некоторого расстояния между ними окажется, что градиент силы притяжения иглы к образцу превысил жесткость балки кантилевера, то кантилевер "прилипнет" к поверхности. По­этому минимальная рабочая дистанция должна превышать это критическое расстояние. Наиболее значительной причиной притяжения являются, как правило, капиллярные эффекты, которые, к тому же, обладают большим собственным гистерезисом Но и в отсутствие капиллярных явлений, например, в случае несмачиваемых поверхностей, эффект "залипания" может наблюдаться из-за электростатических, магнитных и даже Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения. Поэтому чем вы те жесткость кантилевера тем меньше может быть рабочее расстояние, и тем большего разрешения можно достичь (при удалениях, соизмеримых, или превы-шающих радиус кривизны кантилевера), хотя при этом возрастает и сила взаимодействия. Возможна также ситуация, когда градиент сил притяжения не превосходит жесткости кантилевера вплоть до касания иглы и поверхности, т.е. вплоть до сближения крайних атомов зонда и образца в область отталкивающего потенциала, и, значит, рабочее расстояние может быть сколь угодно малым. Такая ситуация является переходной между бесконтактным и полуконтактным режимом.

Полуконтактный режим

Характерной особенностью полуконтактного режима является то, что большую часть периода колебаний кантилевер не касается поверхности и вообще относительно слабо взаимодействует с образцом. И только при сближении иглы с поверхностью вплоть до попадания в область отталки­вающего потенциала взаимодействие резко усиливается, и при этом соударении кантилевер теряет избыток энергии, накопленный за остальную часть периода. В зависимости от характера взаимодействия может меняться сдвиг фазы основной гармоники колебаний относительно возбуждающего сигнала и амплитуда и фаза высших гармоник. Базовым же эффектом является ограничение амплитуды колебаний на уровне, примерно равном расстоянию между вершиной иглы в свобод­ном состоянии кантилевера и поверхностью образца. Т.е., грубо говоря, кантилевер может раста­чиваться только до касания поверхности образца и не дальше.В полуконтактном режиме, в отличие от бесконтактного, жесткость кантилевера может быть меньше, чем максимальный градиент сил притяжения вблизи поверхности. Избавиться же от "залипания" иглы можно путем увеличения амплитуды колебаний кантилевера до такого значения при котором сила со стороны балки кантилевера, отрывающая иглу от поверхности, превы­шает притяжение иглы к поверхности. В бесконтактном режиме это невозможно, поскольку там амплитуда должна быть мала по сравнению с расстояниями, на которых заметно меняется градиент сил.

Режим измерения жесткости.

В режиме измерения локальной жесткости сигнал модуляции подается на 2-обкладки пьезотрубки. При этом игла кантилевера касается поверхности, и вибрация образца передается кантилеверу. Измеряемой величиной является амплитуда колебаний балки кантилевера. Коэффициент передачи колебаний образца в колебания балки кантилевера пропорционален отношению жесткости систе­мы игла- поверхность в данной точке к жесткости балки. В одном предельном случае абсолютно гибкого кантилевера с жесткой иглой на жестком образце, колебания пьезотрубки полностью пе­редаются балке. В другом предельном случае очень жесткого кантилеверана гибком или легко деформируемом образце и/или при мягкой игле колебания трубки приводят лишь к деформации поверхности и иглы, тогда как балка остается неподвижной. Следует помнить, что жесткость системы игла-образец зависит не только от модулей Юнга сопри­касающихся поверхностей, но и от их геометрии, в частности, от радиусов кривизны. Наибольшая жесткость в области контакта достигается в случае поверхностей равных по величине кривизны, но противоположного знака, т.е., в случаев контакта круглого острия иглы с круглой впадиной того же радиуса.

Поэтому режим измерения локальной жесткости будет контрастировать ступеньки на образце, показывать небольшие бугорки как области с пониженной жесткостью, даже если они состоят из того же материала, что и весь образец.

2.2.4  Схема взаимодействия компонентов СЗМ

На (Рис.10) схематично изображены составляющие компоненты присущие СЗМ;

-  исследуемый образец,

-  игла ССМ,

-  кантилевер ССМ,

-  система регистрации отклонения кантилевера,

-  сканер, чье перемещение в плоскости задает сканирование, а вертикальное перемещение по оси Z управляется обратной связью,

-  движитель с системой грубого подвода, обеспечивающий подведение образца к зонду в зону рабочего диапазона сканера,

- процессор,

- блок питания,

- рабочая станция.

Рис. 10

2.2.5   Схема регистрации отклонения кантилевера

В ССМ корпорации МДТ использована оптическая схема регистрации отклонений кантилевера (Рис.11), которая, являясь относительно несложной, позволяет регистрировать суб-ангстремные отклонения кантилевера. Источником является полупроводниковый лазер Lyambda=670 нм, Р = 0,9 мВт, луч которого фокусируется на зеркальной поверхности кантилевера в районе острия. Отраженный от кантилевера свет попадает на четырехсекционный фотодиод, усиленный разностный сигнал от которого позволяет определять угловое отклонение кантиклевера с точностью менее 0.1нм, что обес­печивает разрешение по вертикали 0.1нм.