Работа зондового микроскопа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время бурно развивается научно-техническое направление - нанотехнология, охватывающее широкий круг как фундаментальных, так и прикладных исследований. Это принципиально новая технология, способная решать проблемы в таких разных областях, как связь, биотехника, микроэлектроника и энергетика. Нанотехнологию можно определить как совокупность способов и приемов создания функциональных элементов нанометровых размеров на поверхности подложек, в том числе из отдельных молекул и атомов, с возможностью одновременной их визуализации и контроля. Прогресс в нанотехнологии стимулировался развитием экспериментальных методов исследований, наиболее информативными из которых являются методы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) - первый из семейства зондовых микроскопов - был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. В своих работах, они показали, что это достаточно простой и весьма эффективный способ исследования поверхности с пространственным разрешением вплоть до атомарного. Настоящее признание данная методика получила после визуализации атомарной структуры ряда материалов и, в частности, реконструированной поверхности кремния. В 1986 году Г. Биннигу и Г. Рореу была присуждена Нобелевская премия по физике. Вслед за туннельным микроскопом, в течение короткого времени были созданы атомно-силовой микроскоп (АСМ), магнитно-силовой микроскоп (МСМ), электро-силовой микроскоп (ЭСМ) и многие другие. сканирующий зондовый микроскопия визуализация

1. Принципы работы сканирующей зондовой микроскопии

В СЗМ исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств проводиться с помощью специальным образом приготовленных зондов в виде игл. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью образца в зондовых микроскопах по порядку величины составляет 0,1-10 нм. В основе работы СЗМ лежат различные способы взаимодействия зонда с поверхностью. Так, работа туннельного микроскопа основана на явлении протекания туннельного тока между металлической иглой и проводящим образцом; различные типы силового взаимодействия лежат в основе работы атомно-силового, магнитно-силового и электро-силового микроскопа. Рассмотрим общие черты, присущее различным зондовым микроскопам. Пусть взаимодействие зонда с поверхностью характеризуется некоторым параметром Р. Если существует достаточно резкая и взаимно однозначная зависимость параметра Р от расстояния зонд-образец Р=Р(z), то данный параметр может быть использован для организации обратной связи (ОС), контролирующей расстояние между зондом и образцом. Система обратной связи поддерживает значение параметра Р постоянным, равным величине Р0, задаваемой оператором. Если расстояние зонд-поверхность изменяется (например, увеличивается), то происходит изменение (увеличение) параметра Р. В системе ОС формируется разностный сигнал, пропорциональный величине Р-Р0, который усиливается до необходимой величины и подается на исполнительный элемент ИЭ. ИЭ отрабатывает данный разностный сигнал, приближая зонд к поверхности или отодвигая его до тех пор, пока разностный сигнал не станет равным нулю. Таким образом можно поддерживать расстояние образец-зонд с высокой точностью. В существующих зондовых микроскопах точность удержания расстояния зонд- поверхность достигает величины ~ 0,01 А. При перемещение зонда вдоль поверхности образца происходит изменение параметра взаимодействия Р, обусловленное рельефом поверхности. Система ОС обрабатывает эти изменения так, что при перемещении зонда в плоскости X,Y сигнал на ИЭ оказывается пропорциональным рельефу поверхности. Для получения СЗМ изображения осуществляют специальным образом организованный процесс сканирования образца. При сканировании зонд вначале движется над образцом вдоль определенной линии (строчная развертка), при этом величина сигнала на исполнительном элементе, пропорциональная рельефу поверхности, записывается в память компьютера. Затем зонд возвращается в исходную точку и переходит на следующую строчку сканирования (кадровая развертка), и процесс повторятся вновь. Записанный таким образом сигнал обратной связи обрабатывается компьютером, и затем СЗМ изображение рельефа поверхности Z = f (x,y) строится с помощью компьютерной графики. 4 Наряду с исследованием рельефа поверхности зондовые микроскопы позволяют изучать различные свойства поверхности: механические, электрические, магнитные, оптические и другие.

С помощью зондовых микроскопов можно не только изучать ранее приготовленные, но и создавать новые структуры с нанометровым разрешением. Используя проводящие кантилеверы, возможно электрически модифицировать поверхностные слои. В режиме СТМ через проводящий микрозонд (обычно платиновый или платино-иридиевый, или платинородиевый) формируют короткий (порядка 5 наносекунд) импульс тока, и внедренный таким образом в поверхность объемный заряд производит на поверхности различные изменения в зависимости от природы поверхности: химические, кулоновский взрыв (например, пробивает в проводящей поверхности отверстие малого, порядка 30 ангстрем, диаметра) и т. д.

Промышленное применение сканирующих зондовых микроскопов:

– субмикронная микроэлектроника - межоперационный контроль пластин, тестирование и коррекция СБИС;

– промышленное производство цифровых видеодисков DVD и CD - контроль качества матриц и выборочный контроль самих дисков;

– промышленное производство магнитных дисков - выборочный контроль качества магнитных покрытий;

– оптическая промышленность - контроль качества обработки стекла, лазерных зеркал;

– промышленность полимеров - контроль качества и идентификация полимерных материалов;

– медицинская промышленность - контроль качества глазных линз.

1.1 Принцип работы

Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом (кантилевер, игла или оптический зонд). При малом расстоянии между поверхностью и зондом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения, и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры).

Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа:

– Конец зонда должен иметь размеры сопоставимые с исследуемыми объектами.

– Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.

– Детекторы должны надежно фиксировать малые по величине возмущения регистрируемого параметра.

– Создание прецизионной системы развёртки.

– Обеспечение плавного сближения зонда с поверхностью.

2. Сканирующая туннельная микроскопия

Сканирующие зондовые микроскопы -- класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением.

Исторически первым в семействе зондовых микроскопов появился сканирующий туннельный микроскоп. Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле. В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояние в несколько ангстрем. При этом образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер. При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным. Туннельный ток экспоненциально зависит от расстояния. Эта зависимость позволяет осуществлять регулирование расстояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. СТМ представляет собой электромеханическую систему с отрицательной обратной связью. Система обратной связи поддерживает величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне (I0) выбираемом оператором. Контроль величины туннельного тока, а следовательно, и расстояния зонд-поверхность осуществляется посредством перемещения зонда вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента. Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя способами. В режиме постоянного туннельного тока зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжения на Z-электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции Z = f(x,y), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики. При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности в режиме постоянной высоты Z = const. В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии в несколько ангстрем, при этом изменение туннельного тока регистрируется в качестве СТМ изображения поверхности. Сканирование производиться либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменения, происходящими на поверхности, практически в реальном времени.

В настоящее время в литературе описаны сотни различных конструкций сканирующих зондовых микроскопов. Для эффективной работы конструкция измерительной головки СТМ должна удовлетворять целому ряд требований. Наиболее важными из них является требование высокой помехозащищенности. Это обусловлено высокой чувствительностью туннельного промежутка к внешним вибрациям, перепадам температуры, электрическим и акустическим помехам. Выбор той или иной системы виброизоляции диктуется в основном целесообразностью и удобством использования. Другая, не менее важная группа требований к дизайну СТМ, связана с условиями применения разрабатываемого микроскопа и определяется задачами конкретного эксперимента.

Заключение

В настоящее время сканирующие зондовые микроскопы нашли применение практически во всех областях науки. В физике, химии, биологии используют в качестве инструмента исследования СЗМ. В частности, такие междисциплинарные науки, как материаловедение, биохимия, фармацевтика, нанотехнологии, физика и химия поверхности, электрохимия, исследование коррозии, электроника (например, МЭМС), фотохимия и многие другие. Перспективным направлением считается совмещение сканирующих зондовых микроскопов с другими традиционными и современными методами исследованиями, а также создание принципиально новых приборов. Например, совмещение СЗМ с оптическими микроскопами (традиционными и конфокальными микроскопами), электронными микроскопами, спектрометрами (например, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресцентными), ультрамикротомами.

С помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности.

Размещено на Allbest.ru