сканирующая зондовая микроскопия

Класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить 3-х мерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением.

Сканирующий зондовый микроскоп в современном виде был изобретён Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. За это изобретение в 1986 были награждены Нобелевской премией по физике.

Отличительной особенностью всех микроскопов является микроскопический зонд, который контактирует с исследуемой поверхностью, и при сканировании перемещается по некоторому участку поверхности заданного размера.

Контакт зонда и образца подразумевает взаимодействие. Природа взаимодействия определяет принадлежность прибора к типу зондовых микроскопов. Информация о поверхности извлекается с помощью системы обратной связи или детектирования взаимодействия зонда и образца.

Система регистрирует значение функции, зависящей от расстояния зонд - образца.

Типы сканирующих зондовых микроскопов.

Сканирующий атомно-силовой микроскоп

Сканирующий туннельный микроскоп

Ближнепольный оптический микроскоп

Сканирующий туннельный микроскоп

Один из вариантов сканирующего микроскопа, предназначенный для изменения рельефа проводящих систем с высоким пространственным разрешением.

Принцип работы основан на прохождение электроном потенциального барьера в результате разрыва электрической цепи – небольшой промежуток между зондирующим микроскопом и поверхностью образца. Острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем. При подаче на иглу небольшого потенциала возникает туннельный ток, величина которого экспоненциально зависит от расстояния образец - игла. При расстоянии 1ангстремма образец – игла значение силы тока колеблется от 1 до 100 пА.

При сканировании образца игла движется вдоль её поверхности, туннельный ток поддерживается за счёт действия обратной связи. Показания системы меняется за счёт топографии поверхности. Изменение поверхности фиксируется и на этом основании строится карта высот.

Другой метод предполагает движение иглы на фиксированной высоте над поверхностью образца. В этом случае изменяется величина туннельного тока и на основе этих изменений идёт построение топографии поверхности.

Рисунок 1. Схема работы сканирующего туннельного микроскопа.

Сканирующий туннельный микроскоп включает в себя:

Зонд (игла)

Систему перемещения зона по координатам

Регистрирующую систему

Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящая от величины тока между иглой и образцом, либо перемещения по оси Z. Регистрируемое значение обрабатывается системой обратной связи, управляя положением образца или зонда по оси координат. В качестве обратной связи используется пид - регулятор (пропорционально – интегрально – дифференцирующей регулятор).

Ограничение:

Условие проводимости образца (поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/см²).

Глубина канавки должна быть меньше её ширины, иначе будет наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей.

Сканирующий атомно-силовой микроскоп

Сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения. Используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем до атомарного.

С помощью атомно-силового микроскопа регистрируется изменение силы притяжение иглы к поверхности от точки к точке. Игла расположена на конце кантилевера, которая имеет известную жёсткость и возможность изгибаться под действием небольших ван-дер-ваальсовых сил, и возникает между исследуемой поверхностью и кончиком острия. Деформация кантилевера регистрируется по отклонению лазерного луча, падающая на его тыльную область или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего при изгибе в кантилевере.

Рисунок 2. Схема работы атомно-силового микроскопа.

Атомно-силовой микроскоп был изобретён в 1982 году как модификация сканирующего туннельного микроскопа. Изначально микроскоп представлял собой профилометр, только радиус закругления иглы был порядка десятков ангстрема. Оптическая схема: луч лазера направляется на внешнюю поверхность кантилевера, отражается и попадает на фотодетектор. Такой метод реализован в большинстве современных атомно-силовых микроскопов

Улучшение латерального разрешения привело к развитию динамических методов. Пьезовибратором возбуждаются колебания кантилевера с определённой частотой и фазой. При приближении к поверхности на кантилевера начинают действовать силы, изменяющие его частотные свойства. В результате отслеживая частоту и фазу колебаний кантилевера можно сделать вывод об изменении силы, действующей со стороны поверхности и, следственно, о рельефе.

Рисунок 3. Зависимость силы межатомного взаимодействия от расстояния между остриём и образцом.

На рисунке 3 правая часть кривой характеризует ситуацию, когда атомы острия и поверхность разделены большим расстоянием. По мере сближения они сначала слабо, а потом всё сильнее будут притягиваться друг к другу. Сила притяжения будет действовать до тех пор, пока электронные облака атомов не начнут отталкиваться электростатически. При дальнейшем уменьшении межатомного расстояния электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются на длине химической связи (порядка 2-х ангстрем). Когда суммарная межатомная сила становится положительной (отталкивающей), то это означает, что атомы вступили в контакт.

В зависимости от характера действия силы между кантилевером и поверхностью образца выделяют 3 вида режима работы:

Контактный

Полуконтактный

Бесконтактный

При контактном режиме (режим отталкивания) остриё сканирующей иглы приходит в мягкий “физический контакт” с образцом. Сканирование осуществляется в режиме постоянной силы, когда система обратной связи поддерживает постоянную 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, пропорциональный силе, действует на зонд со стороны поверхности и записывается для каждой точки.

Наклон кривой на графике меж атомных сил очень крутой. Вследствие чего отталкивающая сила уравновешивает практически любую силу, которая пытается сблизить атомы друг к другу. Это означает, что когда измерительная консоль прижимает остриё иглы к поверхности, то быстрее изогнётся консоль, чем приблизится остриё к атомам образца. Сила прикладываемая к образцу со стороны острия сканирующей иглы варьирует от 10 –7 Н до 10 –6 Н. Изображение представляет собой пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.

Достоинства

наибольшая помехоустойчивость

наибольшая скорость сканирования

лучшее качество сканирования поверхностей с резкими перепадами рельефа.

Недостатки

Наличие артефактов, связанных с наличием латеральных сил, воздействующих на зонд со стороны поверхности

При сканировании в открытой атмосфере (на воздухе) на зонд действуют капиллярные силы, внося погрешность в определение высоты поверхности

Практически непригоден для изучения объектов с малой механической жёсткостью (органические материалы, биологические объекты)

Бесконтактный режим (режим притяжения) – отслеживает притягивающие силы Ван-дер-Ваальса между остриём иглы и образцом, зазор которого составляет 5-10нм. На этих расстояниях электронные орбитали атомов острия иглы синхронизируются с электронными орбиталями атомов образца. В результате возникает слабое притяжение, так как атомы острия и образца поляризованы в одном и том же направлении. В свободном пространстве они будут сближаться, пока сильное электростатическое отталкивание не станет преобладающим. Суммарная сила между остриём и образцом ~10 –12 Н.

При работе пьезовибратором возбуждаются колебания зонда на некоторой частоте (в основном резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к сдвигу амплитудно-частотный и фазово-частотный характеристик зонда. В результате амплитуда и фаза изменяют значение. Система обратной связи поддерживает постоянной амплитуду колебаний зонда, а изменение частоты и фазы записывается.

Достоинством является отсутствие воздействия зонда на исследуемую поверхность.

Недостатки:

Чувствителен к внешним шумам

Наименьшее латеральное изменение

Наименьшая скорость сканирования

Функционирует в условиях вакуума, когда отсутствует адсорбция слоя воды на поверхности

Попадание на кантилевер частички с поверхности образца во время сканирования меняет его частотные свойства.

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.

Достоинством полуконтактного режима является устранение латеральных сил, действующих со стороны поверхности на зонд, что улучшает интерпретацию получаемых изображений.

Помимо Ван-дер-ваальсовых сил в атомно-силовом микроскопе со стороны поверхности действует ряд взаимодействий: упругие силы, силы адгезии, капиллярные силы. Их вклад особенно заметен при полуконтактном режиме, когда вследствие прилипания кантилевера к поверхности возникают гистерезисы, которые существенно усложняют процесс получения изображения и интерпретацию результатов.

Основная конструкция атомно-силового микроскопа:

Жёсткий корпус удерживающий систему;

Держатель образца;

Устройство манипуляции;

Система регистрации отклонения зонда:

Оптическая (включает лазер и фотодиод)

Пьезоэлектрическая (использует прямой и обратный пьезоэффект)

Интерферометрическая (состоит из лазера и оптоволокна)

- ёмкостная (измеряет изменение ёмкости между кантилевером и неподвижной пластиной)

Туннельная (регистрирует изменение туннельного тока между кантилевером и туннельной иглой)

Система обратной связи;

Управляющий блок с электроникой;

Рисунок 4. Схематическая конструкция АСМ.

В зависимости от конструкции возможно два вида движения: движение зонда относительно неподвижного образца или движение образца, относительно закреплённого зонда.

Для исправления искажений в реальном масштабе времени используют ПО (особенность ориентированного сканирования) либо сканеры, снабжёнными замкнутыми следящими системами.

Ближнепольная оптическая микроскопия – оптическая микроскопия, обеспечивающее лучшее разрешение, чем обычный оптический микроскоп. Повышение разрешения достигается детектированием рассеивание света от излучаемого объекта на расстояние меньшее длины волны света.

Часть светового потока, распространяющегося по волокну, проходит через выходное сечение зонда, как сквозь диафрагму в металлическом экране, и достигает образца, расположенного в ближнем поле источника. Если расстояние z до поверхности об­разца и радиус r д диафрагмы удовлетворяют условию r д ∙ z << λ , то размер светового пятна на образце близок к размеру диафрагмы. При перемещении зонда вдоль образца возможна реализация раз­решения, не ограниченного дифракцией, или сверхразрешения.

В зависимости от наличия и отсутствия диафрагмы на концах зонда, выделяют 2 основные группы: апертурные и безапертурные.

В апертурных луч лазера через согласующийся элемент попадает в заострённое металлизированное волокно и на выходе сужается до размеров диафрагмы. Взаимное перемещение острия и образца в трех измерениях осуществляется с помощью пьезодвижите­лей. Прошедшие через образец или отраженные и рассеянные фо­тоны улавливаются одним из микрообъективов и направляются в регистрирующий прибор, (фотоумножитель). Широко распростране­ны приборы, работающие в режиме сбора фотонов, когда зонд переносит фотоны от образца, освещенного, например, через мик­рообъектив, к детектору. В комбинированном режиме (освещение/ сбор) зонд выполняет одновременно обе функции. В комбинированных приборах запись изображения осу­ществляется одновременно по двум каналам, один из которых воспроизводит рельеф поверхности, а другой - локальное рас­пределение показателя преломления в тончайшем приповерхност­ном слое. Возможность различения оптического и топографиче­ского контрастов существенно упрощает интерпретацию изобра­жения. Наибольшее распространение получил метод контроля, основанный на изменении тангенциальной составляющей силы физического взаимодействия острия с образцом.

Рисунок 5. Схема работы оптического микроскопа в ближнем поле:

1 - оптическое волокно; 2 - проходя­щее через зонд излучение; 3 - слой ме­талла; 4 - выходная апертура зонда; h - расстояние между исследуемой поверх­ностью и апертурой зонда; d - выходной диаметр оптического волокна.

В сканирующих ближнепольных оптических микроскопах ис­пользуется луч света диаметром меньше, чем длины волны источни­ка света. Свет подается по оптическому волокну, которое стравли­вается на острие. Такое технологическое новшество позволяет полу­чить высокую степень разрешения микроскопа, превосходящую классическую оптику.

Ближнепольный оптический микроскоп на основе светового во­локна с малой апертурой на выходе весьма полезен при исследо­вании фоточувствительных структур, биологических объектов и на­ноструктурированных материалов.

Карельский Государственный Педагогический Университет

Сканирующая зондовая микроскопия

Выполнила: Барбара О.

554 гр. (2007 г.)

Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ), его строение и принцип действия

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) - один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением

Несмотря на многообразие видов и применений современных сканирующих микроскопов, в основе их работы заложены схожие принципы, а их конструкции мало различаются между собой. На рис. 1 изображена обобщенная схема сканирующего зондового микроскопа (СЗМ).

Рис.1 Обобщенная схема сканирующего зондового микроскопа (СЗМ).

Принцип его работы заключается в следующем. С помощью системы грубого позиционирования измерительный зонд подводится к поверхности исследуемого образца. При приближении образца и зонда на расстояние менее сотен нм зонд начинает взаимодействовать с поверхностными структурами анализируемой поверхности. Перемещение зонда вдоль поверхности образца осуществляется с помощью сканирующего устройства, которое обеспечивает сканирование поверхности иглой зонда. Обычно оно представляет собой трубку из пьезокерамики, на поверхность которой нанесены три пары разделенных электродов. Под действием приложенных к пьезотрубке напряжений Ux и Uy она изгибается, обеспечивая тем самым перемещение зонда относительно образца по осям X и Y, под действием напряжения Uz - сжимается или растягивается, что позволяет изменять расстояние игла-образец.

Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии.

Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающиеся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникает механическая деформация под действием приложенного к ней электрического поля; причём величина механической деформации пропорциональна напряжённости электрического поля. Пьезоэлектрический эффект наблюдается только в твёрдых диэлектриках, главным образом, кристаллических. В структурах имеющих центр симметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннее равновесие кристаллической решётки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются кристаллы только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии. Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условием существования пьезоэлектрического эффекта, и поэтому не все ацентричные кристаллы обладают им.

Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твёрдых аморфных и скрытокристаллических диэлектриках.(Пьезоэлектрики – монокристаллы: Кварц. Пьезоэлектрические свойства кварца широко используются в технике для стабилизации и фильтрации радиочастот, генерирования ультразвуковых колебаний и для измерения механических величин. Турмалин. Основным преимуществом турмалина является большее значение частного коэффициента по сравнению с кварцем. Благодаря этому, а также из-за большей механической прочности турмалина возможно изготовление резонаторов на более высокие частоты.

В настоящее время турмалин почти не используется для изготовления пьезоэлектрических резонаторов и имеет ограниченное применение для измерения гидростатического давления.

Сегнетова соль. Пьезоэлементы из сегнетовой соли широко использовались в аппаратуре, работающей в сравнительно узком температурном интервале, в частности, в звукоснимателях. Однако в настоящее время они почти полностью вытеснены керамическими пьезоэлементами.

Датчик положения зонда непрерывно отслеживает позицию зонда относительно образца и через систему обратной связи передает данные о ней в компьютерную систему, управляющую движением сканера. Для регистрации сил взаимодействия зонда с поверхностью обычно используют метод, основанный на регистрации отклонения луча полупроводникового лазера, отраженного от кончика зонда. В микроскопах такого типа отраженный пучок света падает в центр двух - или четырехсекционного фотодиода, включенного по дифференциальной схеме. Компьютерная система служит, кроме управления сканером, также для обработки данных от зонда, анализа и отображения результатов исследования поверхности.

Как видим, структура микроскопа довольно проста. Основной интерес вызывает взаимодействие зонда с исследуемой поверхностью. Именно тип взаимодействия, используемый конкретным сканирующим зондовым микроскопом, определяет его возможности и сферу применения. (слайд) Как видно из названия, одним из основных элементов сканирующего зондового микроскопа является зонд. Общей чертой всех сканирующих зондовых микроскопов является способ получения информации о свойствах исследуемой поверхности. Микроскопический зонд сближается с поверхностью до установления между зондом и образцом баланса взаимодействий определенной природы, после чего осуществляется сканирование.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), его строение и принцип действия

Первым прототипом СЗМ стал сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), изобретенный в 1981г. учеными исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе Герхардом Биннигом и Хайнрихом Рёрером. С его помощью впервые были получены реальные изображения поверхностей с атомарным разрешением, в частности реконструкция 7х7 на поверхности кремния (рис. 2).

Рис.3 STM изображение поверхности монокристаллического кремния. Реконструкция 7 х 7

Все известные в настоящее время методы SPM можно условно разбить на три основные группы:

– сканирующая туннельная микроскопия; в СТМ в качестве зонда используется острая проводящая игла

Если между иглой и образцом приложить напряжение смещения, то при приближении острия иглы к образцу на расстояние порядка 1 нм между ними возникает ток туннелирования, величина которого зависит от расстояния "игла-образец", а направление - от полярности напряжения (рис. 4). При удалении острия иглы от исследуемой поверхности туннельный ток уменьшается, а при приближении - возрастает. Таким образом, используя данные о туннельном токе в некотором множестве точек поверхности, можно построить изображение топографии поверхности.

Рис.4 Схема возникновения тока туннелирования.

– атомно-силовая микроскопия; в ней регистрируют изменения силы притяжения иглы к поверхности от точки к точке. Игла расположена на конце консольной балочки (кантилевера), имеющей известную жесткость и способной изгибаться под действием небольших ван-дер-ваальсовых сил, которые возникают между исследуемой поверхностью и кончиком острия. Деформацию кантилевера регистрируют по отклонению лазерного луча, падающего на его тыльную поверхность, или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего в самом кантилевере при изгибе;

– ближнепольная оптическая микроскопия; в ней зондом служит оптический волновод (световолокно), сужающийся на том конце, который обращен к образцу, до диаметра меньше длины волны света. Световая волна при этом не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка “вываливается” из его кончика. На другом конце волновода установлены лазер и приемник отраженного от свободного торца света. При малом расстоянии между исследуемой поверхностью и кончиком зонда амплитуда и фаза отраженной световой волны меняются, что и служит сигналом, используемым при построении трехмерного изображения поверхности.

В зависимости от туннельного тока или расстояния между иглой и поверхностью - возможны два режима работы сканирующего туннельного микроскопа. В режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирования изменяется в зависимости от расстояния до него (рис. 5а). Информационным сигналом в этом случае является величина тока туннелирования, измеренная в каждой точке сканирования поверхности образца. На основе полученных значений туннельного тока строится образ топографии.

Рис. 5. Схема работы СТМ: а - в режиме постоянной высоты; б - в режиме постоянного тока

В режиме постоянного тока система обратной связи микроскопа обеспечивает постоянство тока туннелирования путем подстройки расстояния "игла-образец" в каждой точке сканирования (рис. 5б). Она отслеживает изменения туннельного тока и управляет напряжением, приложенным к сканирующему устройству, таким образом, чтобы компенсировать эти изменения. Другими словами, при увеличении тока система обратной связи отдаляет зонд от образца, а при уменьшении - приближает его. В этом режиме изображение строится на основе данных о величине вертикальных перемещений сканирующего устройства.

Оба режима имеют свои достоинства и недостатки. В режиме постоянной высоты можно быстрее получить результаты, но только для относительно гладких поверхностей. В режиме постоянного тока можно с высокой точностью измерять нерегулярные поверхности, но измерения занимают больше времени.

Имея высокую чувствительность, сканирующие туннельные микроскопы дали человечеству возможность увидеть атомы проводников и полупроводников. Но в силу конструктивных ограничений, на СТМ невозможно получить изображение непроводящих материалов. Кроме того, для качественной работы туннельного микроскопа необходимо выполнения ряда весьма строгих условий, в частности, работы в вакууме и специальной подготовки образца. Таким образом, хотя и нельзя сказать, что первый блин Биннига и Рёрера получился комом, но продукт вышел немного сыроват.

Прошло пять лет и Герхард Биннинг совместно с Калвином Куэйтом и Кристофером Гербером изобрели новый тип микроскопа, названный ими атомно-силовым микроскопом (АСМ), за что в том же 1986г. Г. Бинниг и Х. Рёрер были удостоены Нобелевской премии в области физики. Новый микроскоп позволил обойти ограничения своего предшественника. С помощью АСМ можно получать изображения поверхности как проводящих, так и непроводящих материалов с атомарным разрешением, причем в атмосферных условиях. Дополнительным преимуществом атомно-силовых микроскопов является возможность наряду с измерениями топографии поверхностей визуализировать их электрические, магнитные, упругие и др. свойства.

Атомно–силовой микроскоп (АСМ), его строение и принцип действия

Важнейшей составляющей AСM (Атомно-силового микроскопа) являются сканирующие зонды – кантилеверы, свойства микроскопа напрямую зависят от свойств кантилевера.

Кантилевер представляет собой гибкую балку(175х40х4 мкм - усредненные данные) с определенным коэффициентом жесткости k (10-3 – 10 Н/м), на конце которой находится микро игла (рис 1). Диапазон изменения радиуса закругления R наконечника иглы с развитием AFM изменялся от 100 до 5 нм. Очевидно, что с уменьшением R микроскоп позволяет получать изображения с более высоким разрешением. Угол при вершине иглы a - также немаловажная характеристика зонда, от которой зависит качество изображения. a в различных кантилеверах меняется от 200 до700, не трудно предположить, что чем меньше a , тем выше качество получаемого изображения.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image007_32.gif" width="113 height=63" height="63">,

поэтому для повышения w 0 длина кантилевера (от которой зависит коэффициент жесткости) составляет порядка нескольких микрон, а масса не превосходит 10-10 кг. Резонансные частоты различных кантилеверов колеблются от 8 до 420 kГц.

Метод сканирования при помощи AFM следующий (рис 2): игла зонда находится над поверхностью образца, при этом зонд относительно образца совершает движения, подобно лучу в электроннолучевой трубке телевизора (построчное сканирование). Лазерный луч, направленный на поверхность зонда (которая изгибается в соответствии с ландшафтом образца), отразившись, попадает на фотоприемник, фиксирующий отклонения луча. При этом отклонение иглы при сканировании вызвано межатомным взаимодействием поверхности образца с ее наконечником. При помощи компьютерной обработки сигналов фотоприемника удается получать трехмерные изображения поверхности исследуемого образца.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image009_11.jpg" width="250" height="246">
Рис. 8. Зависимость силы межатомного взаимодействия от расстояния между острием и образцом

Силы взаимодействия зонда с поверхностью разделяют на короткодействующие и дальнодействующие. Короткодействующие силы возникают на расстоянии порядка 1-10A при перекрытии электронных оболочек атомов острия иглы и поверхности быстро падают с увеличением расстояния. В короткодействующее взаимодействие с атомами поверхности вступает только несколько атомов (в пределе один) острия иглы. При получении изображения поверхности с помощью этого типа сил АСМ работает в контактном режиме.

Существуют контактный режим сканирования, когда игла зонда касается поверхности образца, прерывистый – зонд при сканировании периодически касается поверхности образца и бесконтактный, когда зонд находится в нескольких нанометрах от сканируемой поверхности (последний режим сканирования редко используется, т. к. силы взаимодействия зонда с образцом практически трудно зафиксировать).

Возможности СТМ

СТМ научили не только различать отдельные атомы, но и определять их форму.
Многие еще не успели до конца осознать тот факт, что сканирующие туннельные микроскопы (СТМ) в состоянии распознавать индивидуальные атомы, как уже сделан следующий шаг: теперь стало возможным определение даже формы отдельного атома в реальном пространстве (точнее – формы распределения электронной плотности вокруг атомного ядра).

Ближнепольный оптический микроскоп, его строение и принцип действия

Ближнепольная оптическая микроскопия ; в ней зондом служит оптический волновод (световолокно), сужающийся на том конце, который обращен к образцу, до диаметра меньше длины волны света. Световая волна при этом не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка “вываливается” из его кончика. На другом конце волновода установлены лазер и приемник отраженного от свободного торца света. При малом расстоянии между исследуемой поверхностью и кончиком зонда амплитуда и фаза отраженной световой волны меняются, что и служит сигналом, используемым при построении трехмерного изображения поверхности.

Если заставить свет пройти через диафрагму диаметром 50-100 нм и приблизить ее на расстояние несколько десятков нанометров к поверхности исследуемого образца, то, перемещая такой « » по поверхности от точки к точке (и обладая достаточно чувствительным детектором), можно исследовать оптические свойства данного образца в локальной области, соответствующей размеру отверстия.

Именно так устроен сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ). Роль отверстия (субволновой диафрагмы) обычно выполняет оптоволокно, один конец которого заострен и покрыт тонким слоем металла, везде, кроме небольшой области на самом кончике острия (диаметр «незапыленной» области как раз составляет 50-100 нм). С другого конца в такой световод поступает свет от лазера.

Декабрь 2005 г." href="/text/category/dekabrmz_2005_g_/" rel="bookmark">декабре 2005 года и является одной из базовых лабораторий кафедры нанотехнологии физического факультета РГУ. В лаборатории имеются 4 комплекта сканирующих зондовых микроскопов NanoEducator, специально разработанных фирмой НТ-МДТ (г. Зеленоград, Россия) для проведения лабораторных работ . Приборы ориентированы на студенческую аудиторию: они полностью управляются с помощью компьютера, имеют простой и наглядный интерфейс, анимационную поддержку, предполагают поэтапное освоение методик.

Рис.10 Лаборатория сканирующей зондовой микроскопии

Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило основой для развития нового направления нанотехнологии – зондовой нанотехнологии.

Литература

1. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7 i 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space // Phys. Rev. Lett. 1983. Vol. 50, № 2. P. 120-123. Этой знаменитой публикацией открылась эпоха СТМ.

2. http://www. *****/obrazovanie/stsoros/1118.html

3. http://ru. wikipedia. org

4. http://www. *****/SPM-Techniques/Principles/aSNOM_techniques/Scanning_Plasmon_Near-field_Microscopy_mode94.html

5. http://scireg. *****.

6. http://www. *****/article_list. html

(англ. Scanning Electron Microscope, SEM) — это прибор, позволяющий получать изображения поверхности образца с большим разрешением (менее микрометра). Изображения, полученные с помощью растрового электронного микроскопа, являются трехмерными и удобными для изучения структуры сканированной поверхности. Ряд дополнительных методов (EDX, WDX- методы), позволяет получать информацию о химическом составе приповерхностных слоев.

Принцип работы

Исследуемый образец в условиях промышленного вакуума сканируется сфокусированным электронным пучком средних энергий. В зависимости от механизма регистрации сигнала различают несколько режимов работы сканирующего электронного микроскопа: режим отраженных электронов, режим вторичных электронов, режим катодолюминесценции и т. Д. Разработанные методики позволяют исследовать не только свойства поверхности образца, но также визуализировать и получать информацию о свойствах подповерхностных структур, расположены на глубине несколько микрон от сканированной поверхности.

Режимы работы

Детектирования вторичных электронов

Излучением формирующее картинку поверхности образца в большинстве моделей приборов является именно вторичные электроны, которые попадают в детектора типа Эверхарт-Торнли, где и формируется первичное изображение, которое после программно-процессорной обработки попадает на экран монитора. Как и в трансмиссионных электронных микроскопах для фотографирования, ранее, использовали пленку. Фотокамерой снимали изображения в черно-белом экране электронно-лучевой трубки высокой четкости. Сейчас, сформированная картинка просто отображается в интерфейсном окне управляющей микроскопом компьютерной программы и после фокусировки оператором может быть сохранена на жесткий диск компьютера. Изображение, формируемое с помощью сканирующих микроскопов отличается высокой контрастностью и глубиной фокуса. В некоторых моделях современных приборов, благодаря применению технологии multibeam и использования специального программного обеспечения, можно получить 3D изображение поверхности исследуемого объекта. Например, такие микроскопы производит японская фирма JEOL.

разрешение

Пространственное разрешение сканирующего электронного микроскопа зависит от поперечного размера электронного пучка, который в свою очередь зависит от характеристик электронно-оптической системы, фокусирует пучок. Разрешение также ограничена размером области взаимодействия электронного зонда с образцом, то есть от материала мишени. Размер электронного зонда и размер области взаимодействия зонда с образцом гораздо большие расстояния между атомами мишени, таким образом, разрешение сканирующего электронного микроскопа не достаточно большой, чтобы отображать атомарные масштабы, как это возможно, например, в электронном микроскопе, работающий по принципу просвечивание. Однако, сканирующий электронный микроскоп имеет свои преимущества, включая способность визуализировать сравнительно большую область образца, способность исследовать массивные мишени (а не только тонкие пленки), а также разнообразие аналитических методов, позволяющих исследовать фундаментальные характеристики материала мишени. В зависимости от конкретного прибора и параметров эксперимента, можно достичь значения разрешения от десятков до единиц нанометров.

Применение

Сканирующие микроскопы применяются в первую очередь как исследовательский инструмент в физике, материаловедении, электронике, биологии. В основном для получения изображения исследуемого образца, которое может сильно изменяться в зависимости от типа детектора, который используется. Эти различия полученных изображений позволяют делать выводы о физических свойствах поверхности, проводить исследования рельефа поверхности. Электронный микроскоп практически единственный прибор, который может дать изображение поверхности современной микросхемы или промежуточной стадии процесса фотолитографии.

Для детального исследования поверхности твердых тел существует много разнообразных методов. Микроскопия, как средство получения увеличенного изображения, зародилась еще XV в. когда впервые были изготовлены простые увеличительные стекла для изучения насекомых. В конце XVII в. Антонио ван Левенгук изготовил оптический микроскоп, который позволял установить существование отдельных клеток, болезнетворных микробов и бактерий. Уже в 20 веке были разработаны методы микроскопии с помощью электронных и ионных пучков.

Во всех описанных методах применяется следующий принцип: освещение исследуемого объекта потоком частиц и его последующее преобразование. В сканирующей зондовой микроскопии использован другой принцип - вместо зондирующих частиц в ней используется механический зонд, игла. Образно выражаясь, можно сказать, что, если в оптическом или электронном микроскопах образец осматривается, то в СЗМ - ощупывается.

Другим важным принципом, отраженным в названии метода СЗМ, является принцип сканирования, т.е. получение не усредненной информации об объекте исследования, а дискретное (от точки к точке, от линии к линии) перемещение зонда и считывание информации в каждой точке.

Общая конструкция сканирующего зондового микроскопа представлена на рис 1.

Виды сенсоров.

В основе сканирующей зондовой микроскопии лежит детектирование локального взаимодействия, возникающего между зондом и поверхностью исследуемого образца при их взаимном сближении до расстояния ~л, где л- характерная длина затухания взаимодействия «зонд-образец». В зависимости от природы взаимодействия «зонд-образец» различают: сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, детектируется туннельный ток), сканирующий силовой микроскоп (ССМ, детектируется силовое взаимодействие), ближнепольный сканирующий оптический микроскоп (БСОМ, детектируется электромагнитное излучение) и т.п. Сканирующая силовая микроскопия в свою очередь подразделяется на атомно-силовую микроскопию (АСМ), магнитно-силовую микроскопию (МСМ), электро-силовую микроскопию (ЭСМ) и другие, в зависимости от вида силового взаимодействия.

Рис. 2.

При измерении туннельного тока в туннельном сенсоре (рис. 2) используется преобразователь ток-напряжение (ПТН), включенный в цепь протекания тока между зондами образцом. Возможны два варианта включения: с заземленным зондом, когда напряжение смещения подается на образец относительно заземленного зонда или с заземленным образцом, когда напряжение смещения прикладывается к зонду относительно образца.

Рис. 2.

Традиционным датчиком силового взаимодействия является кремниевая микробалка, консоль или кантилевер (от англ. cantilever - консоль) с оптической схемой регистрации величины изгиба кантилевера, возникающего вследствие силового взаимодействия между образцом и зондом, расположенным на конце кантилевера (рис. 3).

Различают контактный, неконтактный и прерывисто-контактный («полуконтактный») способы проведения силовой микроскопии. Использование контактного способа предполагает, что зонд упирается в образец. При изгибе кантилевера под действием контактных сил отраженный от него луч лазера смещается относительно центра квадрантного фотодетектора. Таким образом, отклонение кантилевера может быть определено по относительному изменению освещенности верхней и нижней половинок фотодетектора.

При использование неконтактного способа зонд удален от поверхности и находится в области действия дальнодействующих притягивающих сил. Силы притяжения и их градиенты слабее отталкивающих контактных сил. Поэтому для их детектирования обычно используется модуляционная методика. Для этого с помощью пьезовибратора кантилевер раскачивается по вертикали на резонансной частоте. Вдали от поверхности амплитуда колебаний кантилевера имеет максимальную величину. По мере приближения к поверхности вследствие действия градиента сил притяжения резонансная частота колебаний кантилевера изменяется, при этом уменьшается амплитуда его колебаний. Эта амплитуда регистрируется с помощью оптической системы по относительному изменению переменной освещенности верхней и нижней половинок фотодетектора.

При «полуконтактном» способе измерений также применяется модуляционная методика измерения силового взаимодействия. В «полуконтактном» режиме зонд частично касается поверхности, находясь попеременно как в области притяжения, так и в области отталкивания.

Существуют и другие, более простые, способы детектирования силового взаимодействия, при которых происходит прямое преобразование силового взаимодействия в электрический сигнал. Один из таких способов основан на использовании прямого пьезоэффекта, когда изгиб пьезоматериала под действием силового взаимодействия приводит к появлению электрического сигнала.