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

33336. Сотовые системы радиосвязи 23.81 KB
  Тогда требуемые для 01 жителей Москвы 250 каналов можно получить например разделением обслуживаемой территории радиусом в 50 км на 25 ячеек радиусом по 10 км с организацией в каждой ячейке только 10 радиоканалов с одним и тем же набором частот. Группа ячеек в зоне обслуживания с различными наборами частот называется кластером. Обычно ее развертывание начинается с небольшого числа крупных ячеек которые через некоторое время постепенно трансформируются в большее число более мелких ячеек. При этом пропускная способность сети на территории...
33337. Системы персонального радиовызова 15.32 KB
  Современный рынок услуг подвижной связи характеризуется высокими темпами развития систем персонального радиовызова СПРВ которые гармонично сопрягаются с системами радиосвязи и передачи данных. По назначению СПРВ можно разделить на частные ведомственные и общего пользования. Частные СПРВ обеспечивают передачу сообщений в локальных зонах или на ограниченной территории в интересах отдельных групп абонентов. Под СПРВ общего пользования понимается совокупность технических средств через которые через ТФОП происходит передача в радиоканале...
33338. Системы беспроводного доступа (телефония, блютус, wi-fi, wi-max) 41.82 KB
  В 1992 году ETSI принял стандарт ETS300 175 на общеевропейскую систему беспроводных телефонов DECT предназначенную для передачи речевых сообщений и данных в полосе частот 1880. По своему функциональному назначению PCS является близким аналогом стандарта DECT но ориентирована на использование в рамках принятого в США распределения спектра частот и концепции развития персональной связи отличающихся от европейских. Рассмотрим подробнее характеристики общеевропейской системы беспроводных телефонов DECT. Стандарт DECT Digitl Europen Cordless...
33339. Общие сведения передаче информации. Основные понятия и определения. (Информация, сообщение, сигнал сообщения, информационный параметр сигнала сообщения) 14.89 KB
  Информация сообщение сигнал сообщения информационный параметр сигнала сообщения. Эта материальная система вместе с наблюдателем представляет собой источник сообщения информации. Таким образом сообщения являются материальным носителем информации. Представление информации в сообщении независимо от его вида определяет структурированную совокупность кодов конструкцию знаков символов или иных элементов из определенного алфавита которые отображают содержание передаваемого сообщения.
33340. Виды сообщений, основные параметры сигналов сообщений. Две функции сообщений 13.45 KB
  Различают оптические телеграмма письмо фотография и звуковые речь музыка сообщения. Документальные сообщения наносятся и хранятся на определенных носителях чаще всего на бумаге. Сообщения предназначенные для обработки на ЭВМ в электронном виде принято называть данными. информирующие и управляющие сообщения в системах управления техническими системами называют телеметрическими сообщениями.
33341. Первичные сигналы электросвязи. Виды и параметры первичных сигналов электросвязи 13.46 KB
  Виды и параметры первичных сигналов электросвязи. Поэтому непосредственная передача сигналов сообщений по каналам электросвязи как правило не возможна и их необходимо тождественно преобразовать в другой сигнал соответствующий используемым телекоммуникационным технологиям. Как правило поступающий от источника сигнал сообщения с помощью преобразователя сообщений преобразуется в электрический сигнал bt являющийся переносчиком сообщений в системах электросвязи.
33342. Формы сигналов: аналоговые непрерывные и аналоговые дискретные сигналы, цифровые сигналы. Взаимосвязь характеристик аналоговых и цифровых сигналов 35.63 KB
  По форме представления зависимости сигнала от времени все сигналы подразделяются на три основных вида: а аналоговые непрерывные сигналы непрерывного времени – сигналы заданные во всех точках временной оси; их реализации непрерывные функции времени рис.3 а; б дискретные: дискретные по уровню сигналы непрерывного времени – сигналы заданные на дискретном множестве уровней {ui} во всех точках временной оси рис.3 б; непрерывные по уровню сигналы дискретного времени –сигналы заданные на дискретном множестве {ti} точек временной...
33343. Классификация систем электросвязи по назначению (видам передаваемых сообщений) и виду среды распространения сигналов 415.6 KB
  Классификация систем электросвязи весьма разнообразна но в основном определяется видами передаваемых сообщений средой распространения сигналов электросвязи и способами распределения коммутации сообщений в сети рис.2 – Классификация систем электросвязи по видам передаваемых сообщений и среды распространения По виду передаваемых сообщений различают следующие системы связи: телефонные передачи речи телеграфные передачи текста факсимильные передачи неподвижных изображений теле и звукового вещания передачи подвижных изображений и...
33344. Обобщенная структура систем электросвязи. Понятия: канал электросвязи, канал передачи, система передачи 47.66 KB
  Понятия: канал электросвязи канал передачи система передачи. Совокупность технических средств и среды распространения обеспечивающая передачу сообщений от источника к получателю называется системой электросвязи. При передаче сообщений системой электросвязи выполняются следующие операции: преобразование сообщения поступающего от источника сообщения ИС в первичный сигнал электросвязи в дальнейшем просто первичный сигнал; преобразование первичных сигналов в линейные сигналы с характеристиками согласованными с характеристиками...