19083

Принципы сканирующей зондовой микроскопии. Сканирующий туннельный микроскоп. Атомно-силовой микроскоп

Практическая работа

Физика

ТЕМА 1213 Принципы сканирующей зондовой микроскопии. Сканирующий туннельный микроскоп Атомносиловой микроскоп Сравнительная характеристика различных методов микроскопического исследования поверхности твердых тел Мет...

Русский

2013-07-11

440 KB

21 чел.

ТЕМА 12-13 

Принципы сканирующей зондовой микроскопии.

Сканирующий туннельный микроскоп

Атомно-силовой микроскоп

Сравнительная характеристика различных методов микроскопического исследования поверхности твердых тел

Метод

Увеличение

Рабочая среда

Размерность изображения

Воздействие на образец

Оптическая микроскопия

103

воздух

жидкость

2D

неразрушающий

Лазерное сканирование

104

воздух

жидкость

2D

неразрушающий

Сканирующий электронный микроскоп

106

вакуум

2D

разрушающий

Автоэлектронный и автоионный микроскопы

107-108

вакуум

2D

разрушающий

Просвечивающий электронный микроскоп

107-108

вакуум

2D

разрушающий

Ионный микроскоп

109

вакуум

2D

разрушающий

Сканирующий зондовый микроскоп

109

вакуум

воздух жидкость

3D

неразрушающий

В 1981 г. Герхард Биннинг и Хайнрих Рёрер из лаборатории IBM в Цюрихе представили миру сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). С его помощью были получены изображения поверхности кремния атомарного разрешения. В 1986 году за это изобретение была присуждена нобелевская премия.

Развивая идеи, заложенные в СТМ, в 1986 г. Биннинг, Калвин Куэйт и Кристофер Гербер создают атомно-силовой микроскоп (АСМ), благодаря которому были преодолены присущие СТМ ограничения.

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) – таково общее название такого типа устройств – используются сегодня в широком диапазоне дисциплин, включающем как фундаментальную науку о поверхности, так и традиционный анализ шероховатости поверхности. Не менее эффективно применение СЗМ-технологий для построения трехмерных изображений – от атомов до микронных образований на поверхности биологических объектов.

Сканирующий зондовый микроскоп – это инструмент с множеством возможностей. Это и профилометр с беспрецедентным разрешением, СЗМ может измерять такие физические свойства, как, например, проводимость поверхности, распределение статических зарядов, магнитных полей и модуля упругости, свойства смазочных пленок и др.

Изображения, получаемые с помощью СЗМ, относятся к разряду создаваемыми микроскопическими методами образами, которые достаточно легко интерпретировать. В случае электронного или оптического микроскопа принцип получения изображения базируется на сложных электромагнитных дифракционных эффектах. Поэтому иногда могут возникнуть трудности при определении того, является ли некоторый элемент микрорельефа впадиной или выступом. Напротив, СЗМ регистрирует достаточно точно трехмерные параметры. На получаемых при помощи оптических или электронных микроскопов изображения, например, плоского образца, состоящего из чередующихся отражающих и поглощающих участков, могут возникать искусственные изменения контрастности. Атомно-силовой микроскоп, в свою очередь, практически безразличен к изменениям оптических или электронных свойств и дает информацию об истинной топографии поверхности.

Все СЗМ содержат компоненты, схематично представленные на рис.1. В конструкции каждого сканирующего зондового микроскопа есть свои отличия. В комплекте прибора могут также присутствовать дополнительные устройства, позволяющие модифицировать базовый блок для решения специальных задач. Однако, общая структура СЗМ остается более или менее одинаковой. В состав СЗМ-комплекса входит компьютер, который управляет работой электромеханической части микроскопа, принимает и записывает регистрируемые зондом данные, производит на их основе построение СЗМ-изображения и, кроме того, позволяет обрабатывать полученное изображение, без чего подчас бывает трудно или вообще невозможно проанализировать наблюдаемую картину.

САМ и СТМ являются на сегодня наиболее распространенными в практике СЗМ-технологиями. Тем не менее, большинство промышленно выпускаемых устройств обычно разработаны таким образом, что добавления к прибору новых функций и возможностей достаточно переоснастить его основной блок, заменив отдельные небольшие части. Иногда единственно необходимым изменением является переключение из одного режима в другой непосредственно в обслуживающей компьютерной программе.

Принцип работы СТМ.

Рассмотрим принцип работы СТМ со схемой триплета. Эта схема состоит из трех брусочков, сделанных из пьезоэлементов, каждый из которых был направлен по одной из трех осей и обеспечивал перемещение в одном из направлений.

В СТМ прецизионные двигатели приближают предельно острую металлическую иглу к проводящей поверхности образца (см.рис.2). Между иглой и поверхностью приложено напряжение от десятых долей до единиц вольта. На расстоянии порядка 10 А между атомами иглы и образца начинается протекание туннельного тока.

Примерная зависимость величины туннельного тока I от расстояния z, при приложенном напряжении V выражается известной формулой:

IkV exp(-cz)

где с, к – постоянные величины слабо зависящие от материала образца и иглы, причем с2,1 1010 м-1. Приведенная выше формула имеет приближенный характер, т.к. существует много факторов, влияющих на величину туннельного тока: поток электронов, форма иглы, толщина пленки воды на поверхности, поверхностные состояния и т.д. Зависимость величины туннельного тока от расстояния между иглой и образцом очень сильная – при напряжении между иглой и образцом около 1 В и изменении расстояния от 15 до 8 А (примернов 2 раза) ток изменяется от единиц пикоампер до десятков наноампер ( 100 раз).

Туннельный ток с помощью предусилителя и АЦП регистрируется компьютером, который, управляя прецизионными двигателями подачи иглы, останавливает ее на такой высоте над образцом, на которой туннельный ток имеет заданную оператором величину. Рабочие значения тока обычно выбираются в пределах нескольких наноампер для металлических и полупроводниковых образцов и порядка 1-100 пикоампер для органических пленок и объектов (чтобы не вызвать разрушение структур этих образцов). После фиксации высоты зависания иглы компьютер может начать сканирование заданной оператором поверхности образца. Шаг сканирования может доходить до десятых долей ангстрема.

Для устранения опасности контакта иглы с поверхностью исследуемого образца или ее ухода из области существования туннельного тока ( примерно 10 А) используют систему обратной связи. Эта система постоянно регистрирует туннельный ток и делает такие поправки высоты зависания иглы (с помощью пьезодвигателя подачи игды), чтобы величина туннельного тока, заданная оператором, оставалась постоянной в каждой точке сканирования. Игла при этом остается на одном и том же расстоянии от поверхности, и коррекция высоты иглы прямо отражает рельеф поверхности образца.

По окончании сканирования в компьютере формируется массив высот поверхности для каждого участка сканирования, по которому строится изображение исследуемой поверхности.

В 1986 году было предложено использовать пьезокерамические трубки со специальной конфигурацией электродов для изготовления сканеров (рис.3).Они позволяют создать центросимметричные конструкции проборов и значительно снизить величину температурного дрейфа. с использованием трубчатых конструкций можно создать сканеры с полями сканирования до 100 мкм при напряжениях на электродах 300 В при длине сканера порядка 80 мм. При этом поперечные резонансные частоты таких сканеров не более 1кГц, что допускает получать и атомарные разрешения.

В сканере данной конструкции возможно перемещение средней точки незакрепленного сканера по сфере радиусом порядка RэффL/2, где L – длина пьезотрубки. При малых размерах скана это почти плоскость. Перемещение осуществляется подачей напряжения в разных плоскостях XYZ пьезотрубки. При этом один сектор трубки сжимается, а другой расширяется, и происходит смещение в плоскости. Перемещение по нормали к поверхности осуществляется подачей напряжения на внутренний электрод относительно всех четырех внешних.

Следует отметить, что поверхность исследуемого образца должна быть проводящей, что естественно, ограничивает сферу применения СТМ. В некоторых случаях для усиления сигнала поверхность образца покрывают тонкими пленками хорошо проводящих металлов, например, золота. Также надо иметь ввиду, что сигнал СТМ отражает распределение электронных плотностей, а не реального рельефа, что может усложнять интерпретацию результатов.

Атомно-силовая микроскопия

Как уже было отмечено ранее, одной из разновидностей СЗМ является атомно-силовой микроскоп (АСМ). Его принцип действия также основан на взаимодействии тонкого острия с поверхностью. Острие изготавливается из кусочка алмаза или кремния и крепится на специальной консоли – кантиливере. Подводом кантиливера к образцу управляет электронное устройство. При приближении иглы к образцу на расстояние в единицы ангстрем на иглу действует Ван-дер-Ваальсовская межатомная сила отталкивания, которая изгибает консоль. Перемещаясь над поверхностью, консоль, изгибаясь, отслеживает рельеф поверхности. Угол изгиба консоли несет информацию о рельефе исследуемой поверхности. Одним из способов регистрации угла изгиба консоли является применение луча лазера, который отражается от обратной кантилеверу стороны консоли и падает на фотодиодный секторный датчик, чувствительный к смещению пятна лазерного луча. Система обратной связи отслеживает изменение сигнала на фотодетекторе и управляет пьезоэлектрическим преобразователем, поддерживая высоту, на которой находится игла, постоянной. По информации, полученной с фотодетектора выстраивается массив данных, по которому восстанавливается изображение поверхности исследуемого образца.

Режимы работы СЗМ

Режим работы СЗМ, при котором фиксируется какой-либо тип физической величины между образцом и зондом, называется модой. Такими величинами могут быть:

  •  электрические токи и их производные;
  •  силы и их производные;
  •  электрические потенциалы;
  •  температура и ее изменение;
  •  излучение и ее спектральный состав.

Измерения этих величин можно производить в различных режимах и различными способами. Условно выделяют контактные, полу контактные и бесконтактные моды сканирования.

К контактным модам относятся режимы сканирования, в которых поверхностные атомы зонда постоянно находятся в потенциале сил отталкивания, обусловленного перекрытием электронных оболочек поверхностных атомов образца и зонда:

  •  контактная АСМ топография – кантилевер скользит над поверхностью, повторяя ее профиль;
  •  СТМ топография – измеряется профиль поверхности при поддержании постоянного тока между образцом и зондом посредством цепи обратной связи;
  •  литография – используя зонд можно механически изменять поверхность образца для создания каких-либо структур.

Полуконтактные методы, в которых кантелевер, колеблющийся на частоте в полосе резонансных колебаний, лишь в нижнем положении входит в состояние контакта, определенного выше. Амплитуда, амплитудно-фазовые характеристики или частота колебаний поддерживаются постоянными в процессе сканирования. К таким модам относится:

  •  Tapping Mode АСМ – измерение топографии путем «простукивания» поверхности с осциллирующим кантелевером;
  •  фазовое измерение – измерение фазы колебания кантилевера относительно фазы возбуждающего сигнала.

Бесконтактные моды, в которых измеряются параметры взаимодействия зонда и образца в условиях, когда электронные оболочки поверхностных атомов и образца не входят в состояния перекрытия электронных оболочек. К таким модам относятся:

  •  бесконтактная АСМ – измерение топографии образца, используя Ван-дер-Ваальсовские силы притяжения между образцом и зондом;
  •  измерение градиента распределения магнитного и электрического поля над поверхностью образца.





10


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84253. Дрожжи. Их формы, размеры. Размножение дрожжей. Принципы классификации дрожжей 109.75 KB
  Принципы классификации дрожжей Дрожжи высшие грибы утратившие способность образовывать мицелий и превратившиеся в результате этого в одноклеточные организмы. Несколько реже встречаются цилиндрические палочковидные грушевидные и лимоновидные дрожжи. Почкованием обычно размножаются дрожжи овальной формы. Делением размножаются дрожжи цилиндрической формы.
84254. Отличительные признаки вирусов 31.92 KB
  Эти организмы получили название фильтрующие вирусы а затем просто вирусы. Вирусы обладают следующими характерными особенностями отличающими их от других организмов. Вне живой клетки вирусы ведут себя как объекты неживой природы например способны кристаллизоваться.
84255. Строение, размеры, формы, химический состав вирусов и фагов. Классификация вирусов 37.28 KB
  Классификация вирусов формы химический состав вирусов и фагов. Классификация вирусов Вирусная частица вирион состоит из спирально закрученной нуклеиновой кислоты ДНК или РНК покрытой снаружи белковой оболочкой капсидом. Содержание нуклеиновой кислоты и белка у разных вирусов неодинаковое.
84256. Репродукция вирусов. Развитие вирулентного и умеренного фагов. Понятие о лизогенной культуре 78.28 KB
  На этой стадии происходит прикрепление вируса к поверхности клетки. Внутрь клетки проникает лишь нуклеиновая кислота. Инъецированная нуклеиновая кислота фага прежде всего вызывает полную перестройку метаболизма зараженной клетки. Выход фагов из клетки.
84258. Способы питания микроорганизмов 33.22 KB
  Пищей обычно называют вещества которые попав в живой организм служат либо источником энергии необходимой для процессов жизнедеятельности либо материалом для построения составных частей клетки. Голофитный способ живые существа используют питательные вещества всасывая их в виде относительно небольших молекул из водного раствора. Чтобы проникнуть в клетку питательные вещества должны находиться в растворенном состоянии и иметь соответствующий размер молекул. Однако это не означает что микроорганизмы не используют высокомолекулярные...
84259. Химический состав микробной клетки 33.69 KB
  Связанная вода входит в состав коллоидов клетки и с трудом высвобождается из них. С потерей связанной воды нарушаются клеточные структуры и наступает гибель клетки. При удалении свободной воды гибели клетки не происходит.
84260. Механизмы поступления питательных веществ в клетку 32.25 KB
  ЦПМ регулирует не только поступление веществ в клетку но и выход из нее воды разнообразных продуктов обмена и ионов что обеспечивает нормальную жизнедеятельность клетки. Существует несколько механизмов транспорта питательных веществ в клетку: простая диффузия облегченная диффузия и активный транспорт. Транспорт веществ через цитоплазматическую мембрану схематично изображен на рис.
84261. Пищевые потребности и типы питания микроорганизмов 42 KB
  В зависимости от источника углерода микроорганизмы делятся на: автотрофы сами себя питающие которые используют углерод из неорганических соединений углекислого газа и карбонатов; гетеротрофы питаются за счет других используют углерод из органических соединений. В зависимости от источника энергии различают: фототрофы микроорганизмы которые в качестве источника энергии используют энергию солнечного света; хемотрофы энергетическим материалом для этих микроорганизмов являются разнообразные органические и неорганические вещества....