Реферат: Сканирующая зондовая микроскопия

Ошибка обратной связи, возникающая при сканировании в режиме топографии, содержит допол­нительную информацию о топографии. Она может быть использована для более точного восста­новления рельефа.

Однако этот режим можно рассматривать как промежуточный между режимом постоянной силы и постоянной высоты, если отрегулировать скорость отработки обратной связи так, чтобы она от­слеживала пологие изменения рельефа и не успевала отслеживать крутые. Тогда во время пересечения зондом небольших неоднородностей сканирование будет происходить при почти постоян­ной длине пьезосканера. В результате на изображении будут слабо проявляться медленные изменения рельефа и с высоким контрастом - резкие. Это может быть полезно для отыскания мелких неоднородностей на большом поле на фоне крупных пологих особенностей рельефа.

1.2.2.5 Измерение боковых сил

Во время сканирования по +Х или -X возникает дополнительная крутильная деформация кантиле­вера. Она обусловлена моментом сил, действующих на острие иглы. Угол кручения при неболь­ших отклонениях пропорционален боковой силе. Измерительная система микроскопа позволяет регистрировать кручение кантилевера. Луч лазера, отраженный от кантилевера, получает в этом случае дополнительное смещение в боковом направлении (Рис.6). В этом случае регистрируется сигнал (А+В) - (С+D). Для измерения боковых сил АСМ работает в режиме поддержания посто­янной силы, т.е. как при снятии топографии.

При движении по плоской поверхности, на которой присутствуют участки с разным коэффициан-том трения, угол кручения будет изменяться от участка к участку (Рис.7).

???.7

Это позволяет говорить об измерении локальной силы трения. Если присутствует рельеф, то такая интерпретация невозможна (Рис, 8).

???.8

Тем не менее, этот вид измерений позволяет получать изо­бражения, на которых хорошо видны мелкие особенности рельефа, и облегчать их поиск. В режиме измерения боковых сил легко получать атомарное разрешениена слюде и некоторых других слоистых материалах.

Следует отметить, что при измерении топографии с атомарным разрешением получается атомар­ный рельеф до нескольких ангстрем, тогда как реальный рельеф составляет доли ангстрема. Такая большая величина рельефа объясняется влиянием крутильной деформации кантилевера из-за неидеальности регистрирующей системы - кручения кантилевера воспринимается как его продоль­ный изгиб. Это возникает например даже при очень небольшом угле поворота фотодиода относи­тельно направления движения луча при продольном изгибе кантилевера.

2.2.3 Вибрационные и модуляционные методы измерений

На базе различных принципов зондовой микроскопии были разработаны многочисленные методы получения информации о свойствах поверхности, использующие вибрацию зонда или образца или модуляцию параметра.

Использование вибрации или модуляции на достаточно высокой частоте позволяет, с одной сто­роны, регистрировать дифференциальные характеристики, поддерживая постоянные средние значения величин, а с другой стороны - значительно уменьшать величины шумов с частотной зависи­мостью 1/f(где f - частота) за счет переноса спектра сигнала из области вблизи 0 Гц в область вы­соких частот.

В числе общих преимуществ отдельных вибрационных методов можно назвать, во-первых, ис­пользование резонансных свойств системы, что позволяет существенно повысить чувствитель­ность по сравнению со статическим измерением, а во-вторых, уменьшение сил взаимодействия, в частности, боковых, между зондом и поверхностью в бесконтактном (полуконтактном) режимах. В СТМ-режиме вибрация образца или иглы позволяет модулировать туннельный зазор и, детек­тируя изменения туннельного тока, получать сигнал dI/dz, дающий информацию о локальной вы­соте потенциального барьера для электронов (локальной работе выхода). Модуляция туннельного напряжения u в СТМ - режиме позволяет регистрировать сигнал dI/dz, определяемый локальной спектральной плотностью состояний.

В АСМ режиме вибрация образца и регистрация амплитуды отклика кантилевера дает информа­цию о локальной жесткости образца. Детектирование амплитуды и/или фазы колебаний кантиле­вера, возбуждаемого ньезоэлементом, позволяет сканировать в бесконтактном и полуконтактном режиме рельеф поверхности даже таких образцов, которые нельзя исследовать в контактном ре­жиме ввиду того, что они легко деформируются или разрушаются иглой кантилевера. Эти режимы позволяют также использовать кантилеверы с тонкими и очень острыми иглами, которые в кон­тактном режиме сами легко разрушаются.

1.2.3.1 СТМ-методы

Режим измерения локальной высоты барьера

В режиме измерения локальной высоты потенциального барьера для туннелирующих элекронов, которую можно с некоторой натяжкой называть локальной работой выхода, сигнал модуляции прикладывается к 2-обкладкам пьезотрубки. Обратная связь в процессе сканирования поддержи­вает низкочастотную составляющую туннельного тока постоянной. При этом регистрируется ам­плитуда высокочастотных колебаний туннельного тока, модуляцией туннельного промежутка из-за вызванных вибраций пьезотрубки.

В приближении простейшей одномерной модели туннелирования электрона через прямоугольный потенциальный барьер высотой Fi, зависимость туннельного тока I от ширины барьера z выража­ется экспоненциальным множителем

Дифференцированием этого множителя получаем;

и,следовательно

т.е. производная туннельного тока по ширине туннельного зазора, нормированная на сам тун­нельный ток, дает информацию о локальной высоте потенциального барьера. Так как среднее значение туннельного тока в процессе сканирования поддерживается постоянным, и амплитуда вибрации пьезотрубки не меняется, то полученная в результате сканирования карти­на распределения амплитуды колебаний туннельного тока как раз и содержит информацию о рас­пределении величины Fi , и, следовательно, о химических свойствах поверхности. Реальная ситуация не столь проста, и амплитуда колебаний туннельного тока зависит еще от геометрии поверхности, от состава адсорбатов которые искажают форму потенциального барьера и кроме того, при измерениях на воздухе из-за наличия адсорбатов между иглой и поверхностью всегда существует заметная сила отталкивания, т.к. игла должна "продавить" слой адсорбата, прежде чем возникает заметный туннельный ток.

Это приводит к зависимости результатов измерений от локальной жесткости образца Так, в мес­тах, где жесткость образца ниже, вибрация приводит в большей степени к деформации самого об­разца, а не к деформации адсорбата и изменению туннельного зазора. Амплитуда модуляции тун­нельного тока уменьшается, создавая впечатление относительно пониженной работы выхода.Этот эффект следует учитывать при интерпретации результатов.

Режим спектроскопии

В режиме спектроскопии модулируется туннельное напряжение и между образцом и иглой, и ре­гистрируется амплитуда отклика туннельного тока на эту модуляцию. При этом постоянная со­ставляющая туннельного напряжения остается неизменной, и обратная связь поддерживает посто­янное среднее значение туннельного тока. Таким образом, результат измерения представляет собой производную dI/dU в заданной точке вольт-амперной характеристики. Поскольку форма вольт-амперной характеристики опрелеляется в первую очередь энергетическим спектром объемных и поверхностных электронных состояний иглы и образца, этот режим и полу­чил название режима спектроскопии.

В режиме спектроскопии, как и в режиме измерения локальной высоты барьера, важно, чтобы об­ратная связь успевала с высокий точностью поддерживать постоянным среднее значение I (если усилитель работает не в логарифмическом режиме), поскольку на многих образцж изменение среднего значения I из-за неровностей рельефа может привести к гораздо большим отклонениям амплитуды колебаний туннельного тока, чем изменение свойств поверхности.

2.2.3.2 АСМ-методы

К числу вибрационных методов АСМ относятся бесконтактный, полуконтактный режим и режим локальной жесткости.

Бесконтактным режим

Бесконтактный режим обеспечивает измерение Ван-дер-Ваальсовых электронных, магнитных сил вблизи поверхности, причем сила взаимодействия может быть очень малой (порядка 10^-12 Н), что позволяет исследовать очень чувствительные или слабо связанные с поверхностью объекты, не разрушая, и не сдвигая их.

Вкладыш - держатель кантилевера (Рис.9) содержит пьезокерамическую пластинку, вибрации которой передаются кантилеверу и возбуждают его колебания на требуемой частоте, которая во всех разновидностях этого метода выбирается в пределах одного из резонансных пиков на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ).

Рис. 9

Возбуждающий сигнал формируется цифровым синтезатором, содержащим высокостабильный кварцевый генератор, что позволяет поддерживать частоту сигнала с относительной точностью не хуже 10^-5 -10^-6 . Переменная составляющая сигнала с четырехсекционного фотодиода, обусловленная колебаниями кантилевера, усиливается и попадает на вход синхронного детектора, который можно формировать:

- сигнал, пропорциональный амплитуде основной частоты или одной из гармоник.

- сигнал сдвига фазы (колебаний кантилевера относительно возбуждающего сигнала.