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

20235. Теплопровідність газів 36.5 KB
  При теплопровідності перенос енергії відбувається в результаті безпосередньої передачі енергії від часинок що володіють більшою енергією до частинок з меншою енергією. Теплопровідність газів описується рням Фурє: æ=коефіцієнт теплопровідності [æ]=Вт мК [q]=дж с=Вт де λ середня довжина вільного пробігу молекули газа дорівнює шляху що пройшла молекула за час поділеному на кількість співударів за цей час де середня швидкість теплового руху молекули густина газу кількість теплоти що переноситься за одиницю часу...
20236. Основи методу молекулярної динаміки 104.5 KB
  Вивчається положення та швидкість різних частинок комірки. Одночасна зміна положення частинок в усіх комірках. ABCDположення частинок в різні моменти часу. Задача: звязати ці положення: Ейлер запропонував замінити на кут який утворює дотична KA до траєкторії руху тої частинки в т.
20237. Ефект Джоуля-Томсона 88.5 KB
  Ефект ДжоуляТомсона Ефект ДжоуляТомсона це зміна температури газу в результаті адіабатичного дроселювання€ постійне протікання газу під дією постійного перепаду тиску газів крізь пористу перегородку яка розміщена на шляху потоку. В дослідах Джоуля і Томсона вимірювалась температура в двох послідовних перерізах неперервного і стаціонарного потоках газу до дроселя та за ним. Дійсно при взаємному притяганні молекул внутрішня енергія газу включає як кінетичну енергію молекул так і потенціальну енергію їх взаємодії. Робота...
20238. Поширення пружних хвиль у рідинах. Залежність швидкості поширення та коефіцієнта поглинання від термодинамічних параметрів 115.5 KB
  Щоб описати розповсюдження хвилі в середовищі необхідно записати хвильове рівняння. Для цього: 1 Записати рівняння руху частинки середовища макроскопічно малого обєму середовища лінійні розміри обємчику набагато менші довжини хвилі звука; 2 Записати реологічне рівняння для середовища. 3 Підставити реологічне рівняння в рівняння руху → хвильове рівняння для данного середовища. Реологічне рівняння це рівняння яке повязує тензор напруг з тензором деформацій і тензором швидкості деформацій.
20239. Міжмолекулярна взаємодія в газах та рідинах 62.5 KB
  Вона базується на припущеннях: міжмолекулярна взаємодія є слабкою розміри частинок набагато менше за відстань між ними; адіабатичне наближення електростатичне поле сусідньої молекули збурює енергетичні стани лише електронів; наближення мультипольного розкладу електричні заряди в молекулі по обєму розповсюджені нерівномірно і можуть бути вільні заряди: монополі диполі квадруполі октуполі. Енергія міжмолекулярної взаємодії це потенціальна енергія однієї молекули в електростатичному полі другої молекули. Маємо дві молекули А і В...
20240. Розсіяння нейтронів як джерело інформації про динаміку молекул 101 KB
  Розсіяння нейтронів як джерело інформації про динаміку молекул Існує загальний метод опису динаміки речовини просторовочасові корелятивні функції. Одним із шляхів визначення корелятивних функцій є розсіяння нейтронів. Візьмемо двічі диференційний переріз розсіяння нейтронів кількість нейтронів що вилетять із зразка під певним кутом в елемент тілесного кута і при цьому зміна енергії нейтронів потрапляє в інтервал від до де пр пружне нп непружне ког когерентне нк некогерентне. Наслідком цього є розбиття перерізу...
20241. Понятие, предмет, задачи дисциплины «охрана труда в отрасли» 108 KB
  Охрана труда как социально-экономический фактор и область науки. Этапы развития охраны труда. Понятие охраны труда в законодательстве Украины. Предмет, содержание и задачи дисциплины охраны труда в отрасли. Взаимодействие охраны труда с другими дисциплинами.
20242. Основи методу Монте-Карло 146.5 KB
  точки та розрахувати в кожному полож. точки її енергію з частинками системи. Будується ланцюг випадкових переміщень однієї точки. точки; 2 обрати модель потенціальної енергії; 3задати температуру та довжину кроку відображ.
20243. Полімерний стат. клубок 46.5 KB
  клубок Полімерні молекули ланцюги з великої кількості ланок вони можуть відрізнятися сладом однакові ланки або різні степенем гнучкості числом гілок та заряджених груп. Найпростіша полімерна молекула послідовність великої кількості атомних груп з`єднаних у ланцюг ковалентними хімічними зв`язками. N масі ланцюга. Полімерний ланцюг має N 1 N 102 104 Полімерні молекули поділяються на лінійні та тривимірні.