Сканирующая зондовая микроскопия

Дмитрий Станиславович Ким Сканирующая зондовая микроскопия

Сканирующая зондовая микроскопия - один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. Сканирующий туннельный микроскоп – первый из семейства зондовых микроскопов. Был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. В 1986 году за создание туннельного микроскопа Г. Биннигу и Г. Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике.

НаноЛаборатория ИНТЕГРА Терма создана для решения широкого спектра задач в области атомно-силовой и туннельной микроскопии. Позволяет изучать физические и химические свойства поверхности образцов с большой точностью и высоким разрешением. Управляющая электроника нового поколения позволяет выполнять сканирование образцов с высокой скоростью.

Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)

Атомно-силовая микроскопия (АСМ)

Пьезо-силовая микроскопия (ПСМ)

Атомно-силовой микроскоп Интегра-Терма-Прима

Стендовые доклады студентовСтраница

Атомно-силовой микроскоп Интегра-Терма-Прима

Дмитрий Станиславович Ким Сканирующая зондовая микроскопия

Атомно-силовой микроскоп Интегра-Терма-Прима
(Производство NT-MDT, Зеленоград, Россия)
лаборатории зондовой микроскопии кафедры нанотехнологии
Южного Федерального Университета



а)

  



б)



в)
    Рисунок 1.
  • а) Общий вид АСМ Интегра;
  • б) Нагревательный элемент установлен для проведения эксперимента;
  • в) Измерительная головка установлена, АСМ готов к проведению эксперимента.

 

 

Некоторые измерения, выполненные на атомно-силовом микроскопе Интегра-Терма-Прима

Трансформация доменной структуры титаната бария при изменении температуры
(пьезо-силовая микроскопия)

Рельеф поверхности

Рисунок 2. АСМ изображение рельефа поверхности тонкой пленки титаната бария.

 

Доменная структура

T=25°C

T=60°C

T=80°C

T=90°C

T=100°C

T=105°C

T=110°C

T=115°C

Рисунок 3. Распределение амплитуды ПСМ отклика при различных значениях температуры.

 

Пьезо-силовая микроскопия тонких плёнок 

Рельеф Рельеф PFM-Mag PFM-Mag

а

б

в

    Рисунок 3.
  • а) АСМ изображение рельефа поверхности;
  • б) Локальная поляризация области под кантилевером;
  • в) 3D изображение поляризованной области.

 

 

Зависимость пьезо-сигнала от постоянного напряжения

Рисунок 4. Графики зависимости амплитуды пьезо-сигнала от величины напряженности внешнего постоянного электрического поля.

 

 

Доменная структура монокристалла титаната свинца

а) Рельеф поверхности

б) Амплитуда PFM-сигнала

в) Фаза PFM-сигнала
    Рисунок 5.
  • а) АСМ изображение рельефа поверхности тонкой пленки PbTiO3;
  • б) Распределение амплитуды ПСМ-сигнала;
  • в) Распределение фазы ПСМ-сигнала.

 

Пьезо-силовая микроскопия в вакууме

Рельеф

PFM-Mag*cos
 
    Рисунок 6.
  • АСМ изображение рельефа поверхности (слева);
  • Локальная поляризация образца кантилевером (справа).

Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)

Дмитрий Станиславович Ким Сканирующая зондовая микроскопия

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM — scanning tunneling microscope) — вариант сканирующего зондового микроскопа, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем. При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения 1—1000 пА при расстояниях около 1 Å. Сканирующий туннельный микроскоп первый из класса сканирующих зондовых микроскопов; атомно-силовой и сканирующий ближнепольный оптический микроскопы были разработаны позднее.

В процессе сканирования игла движется вдоль поверхности образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, и показания следящей системы меняются в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот. Другая методика предполагает движение иглы на фиксированной высоте над поверхностью образца. В этом случае фиксируется изменение величины туннельного тока и на основе данной информации идет построение топографии поверхности.

Таким образом сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) включает следующие элементы:

  • зонд (иглу),
  • систему перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам,
  • регистрирующую систему.

Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от величины тока между иглой и образцом, либо перемещения иглы по оси Z. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор. Ограничения на использование метода накладываются, во-первых, условием проводимости образца (поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/см²), во-вторых, условием «глубина канавки должна быть меньше её ширины», потому что в противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей. Но это только основные ограничения. На самом деле их намного больше. Например, технология заточки иглы не может гарантировать одного острия на конце иглы, а это может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков. Кроме ситуации глубокого вакуума, во всех остальных случаях мы имеем на поверхности осаждённые из воздуха частицы, газы и т. д. Технология грубого сближения также оказывает колоссальное влияние на действительность полученных результатов. Если при подводе иглы к образцу мы не смогли избежать удара иглы о поверхность, то считать иглу состоящей из одного атома на кончике пирамиды будет большим преувеличением.

Атомно-силовая микроскопия (АСМ)

Дмитрий Станиславович Ким Сканирующая зондовая микроскопия

Атомно-силовой микроскоп (АСМ, англ. AFM — atomic-force microscope) — сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения. Используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью атомно-силового микроскопа можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности.

История изобретения

Атомно-силовой микроскоп был создан в 1982 году Гердом Биннигом, Кельвином Куэйтом и Кристофером Гербером в США, как модификация изобретённого ранеесканирующего туннельного микроскопа.
Для определения рельефа поверхностей непроводящих тел использовалась упругая консоль (кантилевер), отклонение которой, в свою очередь, определялось по изменению величины туннельного тока, как в сканирующем туннельном микроскопе[1]. Однако такой метод регистрации изменения положения кантилевера оказался не самым удачным, и двумя годами позже была предложена оптическая схема: луч лазера направляется на внешнюю поверхность кантилевера, отражается и попадает нафотодетектор [2]. Такой метод регистрации отклонения кантилевера реализован в большинстве современных атомно-силовых микроскопов.
Изначально атомно-силовой микроскоп фактически представлял собой профилометр, только радиус закругления иглы был порядка десятков ангстрем. Стремление улучшить латеральное разрешение привело к развитию динамических методов. Пьезовибратором возбуждаются колебания кантилевера с определённой частотой ифазой. При приближении к поверхности на кантилевер начинают действовать силы, изменяющие его частотные свойства. Таким образом, отслеживая частоту и фазу колебаний кантилевера, можно сделать вывод об изменение силы, действующей со стороны поверхности и, следственно, о рельефе[3].
Дальнейшее развитие атомно-силовой микроскопии привело к возникновению таких методов, как магнитно-силовая микроскопия, силовая микроскопия пьезоотклика,электро-силовой микроскопии.

Принцип работы

Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли, называемой кантилевером. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности.

Под силами, действующими между зондом и образцом, в первую очередь подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса, которые сначала являются силами притяжения, а при дальнейшем сближении переходят в силы отталкивания.
В зависимости от характера действия силы между кантилевером и поверхностью образца выделяют три режима работы атомно-силового микроскопа:

  1. Контактный (англ. contact mode)
  2. «Полуконтактный» (англ. semi-contact mode или tapping mode)
  3. Бесконтактный (англ. non-contact mode)

Здесь необходимо пояснить, что именно берётся за ноль расстояния во избежание путаницы. На приведённом рисунке ноль соответствует нулевому расстоянию между ядрами атома на поверхности и наиболее выступающего атома кантилевера. Поэтому ноль силы находится на конечном расстоянии, соответствующем границе электронных оболочек этих атомов (при перекрытии оболочек возникает отталкивание). Если взять за ноль границы атомов, то сила обратится в ноль в нуле расстояния.

 

Контактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в контактном режиме атомно-силовой микроскоп является аналогом профилометра. Остриё кантилевера находится в непосредственном контакте между образцом и поверхностью.
Сканирование осуществляется, как правило, в режиме постоянной силы, когда система обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера. При исследовании образцов перепадами высот порядка единиц ангстрем возможно применять режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца. В этом случае кантилевер движется на некоторой средней высоте над образцом. Изгиб консоли ΔZ,пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности записывается для каждой точки. Изображение в таком режиме представляет собой пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.
Достоинства метода:

  • Наибольшая, по сравнению с другими методами, помехоустойчивость

Недостатки метода:

  • Возможно механическое повреждение как зонда, так и образца
  • Практически непригоден для изучения объектов с малой механической жёсткостью (органические материалы, биологические объекты)
  • Наименьшее латеральное разрешение

Бесконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в бесконтактном режиме пьезовибратором возбуждаются колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего, резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит сдвигу амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик зонда, и амплитуда и фаза изменяют значения.
Система обратной связи, как правило, поддерживает постоянной амплитуду колебаний зонда, а изменение частоты и фазы в каждой точке записывается. Однако возможно установление обратной связи путём поддержания постоянной величины частоты или фазы колебаний.
Достоинства метода:

  • Возможность достижения атомарного разрешения (в условиях вакуума)
  • Обеспечивает наилучшую сохранность зонда и образца

Недостатки метода:

  • Крайне чувствителен ко всем внешним шумам
  • Попадание на кантилевер во время сканирования частички с поверхности образца меняет его частотные свойства и настройки сканирования "уходят"

 

Полуконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в полуконтактном режиме также возбуждаются колебания кантилевера. В нижнем полупериоде колебаний кантилевер касается поверхности образца. Такой метод является промежуточным между полным контактом и полным бесконтактом.

Кроме того, со стороны поверхности возможно действие магнитных и электростатических сил. Используя определённые методики и специальные зонды можно узнать их распределение по поверхности.

Пьезо-силовая микроскопия (ПСМ)

Дмитрий Станиславович Ким Сканирующая зондовая микроскопия

Сразу после изобретения СЗМ, появились новые методы и применения, основанные на этой технологии, позволяющие исследовать свойства веществ на наноразмерном уровне. Один из таких методов – пьезо-силовая микроскопия (ПСМ), которая дает уникальную информацию об электромеханических свойствах сегнетоэлектриков.

В методе ПСМ используется проводящий кантилевер, который контактирует  с поверхностью изучаемого сегнетоэлектрического или пьезоэлектрического материала. Прикладывается предустановленное напряжение между поверхностью образца и кантилевером АСМ, образуя внешнее электрическое поле внутри образца.

Из-за пьезоэлектрического эффекта, а также электрострикции сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических материалов, поверхность образца будет локально расширяться или сокращаться в соответствии с приложенным полем. Например, если вектор поляризации электрического домена в измеряемом образце направлен по нормали относительно поверхности и параллелен вектору напряженности электрического поля, то данный домен будет испытывать вертикальное расширение. Так как кантилевер находится в контакте с поверхностью образца, такое расширение  приведет к тому, что кантилевер изогнется вверх и, в результате, изгиб кантилевера оказывается больше, чем в случае если бы не было приложенного электрического поля. (Рисунок 1)

Рисунок 1. Пьезо-силовая микроскопия. Вектор напряженности электрического поля параллелен поляризации.

В другом случае, когда вектор поляризации антипараллелен приложенном электрическому полю, домен будет уменьшаться, что приведет к меньшему изгибу кантилевера. (Рисунок 2)  Величина отклонения кантилевера, в таком случае, напрямую зависит от величины расширения или сжатия электрических доменов образца, а также пропорциональна приложенному электрическому полю.

Рисунок 2. Пьезо-силовая микроскопия. Вектор напряженности электрического поля антипараллелен поляризации.

Если приложенное напряжение содержит переменную компоненту, обратный пьезоэлектрический отклик от образца выразится в осцилляции поверхности на такой же частоте приложенного переменного напряжения. В случае если образец является идеальным пьезоэлектрическим кристаллом, его поляризация может быть выражена через механическое напряжение в следующем виде:

Pi=dijkσjk,

где dijk-тензор пьезоэлектрических модулей 3 ранга, σjk - тензор напряжений, Pi - поляризация. Для материалов с тетрагональной сингонией, тензор пьезоэлектрических модулей может быть записан в виде:

В этом случае, прикладывая переменное напряжение V=V0cos(ωt), вибрации поверхности образца будут иметь вид ΔZ = ΔZ0cos(ωt + φ), где амплитуда вибрации ΔZ0=d33V0. Фаза φ=0°,если вектор поляризации параллелен приложенному электрическому полю, фаза φ=180°, если вектор поляризации антипараллелен приложенному электрическому полю. Такая осцилляция будет прямо отражаться в амплитудном и фазовом сигнале АСМ зонда, и может быть прочитана, используя усилитель синхронного детектора. (Рисунок 3)

Рисунок 3. Пьезо-силовая микроскопия. Вклад переменного поля.

Обычном в ПСМ, приложенное переменное напряжение должно быть намного меньше, чем коэрцитивное напряжение, необходимое для переключения поляризации в домене.