Атомно–силова мікроскопія. Скануюча тунельна мікроскопія: інтеграція з спектроскопією

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КОНОТОПСЬКИЙ ІНСТИТУТ СУМСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

Кафедра електронних приладів і автоматики

КУРСОВА РОБОТА

з предмету «Електронно-зондові прилади»

на тему:

Атомно - силова мікроскопія. Скануюча тунельна мікроскопія: інтеграція з спектроскопією

студента гр. ЕП-01к

І.М. Годунов

Перевірив викладач

П. Бурик

Конотоп 2013



ВСТУП

Скануючая зондова мікроскопія ( СЗМ ) - один з потужних сучаснихметодів дослідження морфології і локальних властивостей поверхні твердого тіла звисоким просторовим розширенням. За останні 10 років скануюча зондовамікроскопія перетворилася з екзотичної методики, доступною лише обмеженомучислу дослідницьких груп, в широко поширений і успішно застосовуванийінструмент для дослідження властивостей поверхні. В даний час практично жодне дослідження в галузі фізики поверхні і тонкоплівкових технологій необходиться без застосування методів СЗМ. Розвиток скануючої зондовоїмікроскопії послужив також основою для розвитку нових методів у нанотехнології:

- технології створення структур з нанометровими масштабами.

Скануючий тунельний мікроскоп ( СТМ ) - перший з сімейства зондовихмікроскопів - був винайдений в 1981 році швейцарськими вченими Гердом Біннігом іГенріхом Рорером. У своїх роботах вони показали, що це досить простий івельми ефективний спосіб дослідження поверхні з просторовимздатністю аж до атомарного. Справжнє визнання дана методика отрималапісля візуалізації атомарної структури поверхні ряду матеріалів і, зокрема,реконструйованої поверхні кремнію. У 1986 році за створення тунельногомікроскопа Г. Біннігу і Г. Рореру була присуджена Нобелівська премія з фізики.

Слідом за тунельним мікроскопом протягом короткого часу були створеніатомно - силовий мікроскоп ( АСМ), магнітно - силовий мікроскоп ( ЧСЧ),електросилової мікроскоп ( ЕСМ ), бліжньопільний оптичний мікроскоп ( БОМ )ібагато інших прилади, які мають схожі принципи роботи та званіскануючими зондовими мікроскопами. В даний час зондова мікроскопія - це область техніки і прикладних наукових досліджень, що бурхливо розвивається.

РОЗДІЛ 1. СКАНУЮЧА ТУНЕЛЬНА МІКРОСКОПІЯ. АТОМНО-СИЛОВА МІКРОСКОПІЯ

1.1 Принцип дії скануючого тунельного мікроскопа

Принцип дії скануючого тунельного мікроскопа (СТМ) досить простий, але кардинально відрізняється від усіх попередніх методик, що застосовувалися у фізиці поверхні. Тонке металеве вістря, змонтоване на електромеханічному приводі (X, У Z _позиціонованому), служить зондом для дослідження ділянок поверхні зразка (рисунок1.1). Коли таке вістря підводиться до поверхні на відстань <10Е, то при додаванні між вістрям і зразком невеликої (від 0,01 до 10 В) напруги зміщення через вакуумний проміжок починає протікати тунельний струм близько 10-9А. Вважаючи, що електронні стани (орбіталі) локалізовані на кожній атомній ділянці, при скануванні поверхні зразка у напрямі X і/або У з одночасним виміром вихідного сигналу в ланцюзі можна отримати картину поверхневої структури на атомному рівні. Ця структура може бути відображена в двох режимах: вимірюючи тунельний струм і підтримуючи відстань від вістря до поверхні зразка або вимірюючи зміни в положенні вістря (тобто відстань до поверхні зразка) при постійному тунельному струмі (другий режим використовується частіше). [2]

Рисунок 1.1. Принцип дії СТМ[2]

Взагалі СТМ можна розглядати як поєднання трьох концепцій : сканування, тунелювання і локального зондування. Саме сканування як засіб відображення об'єкту широко застосовується і в інших типах мікроскопів, наприклад в растровому електронному мікроскопі, а також в телевізійній техніці, а електронне тунелювання з успіхом використовувалося для вивчення фізичних властивостей твердого тіла задовго до появи СТМ (як і контактна спектроскопія). Усе це робить СТМ унікальним мікроскопом, який не містить лінз (а значить, зображення не спотворюється із-за аберації), енергія електронів, що формують зображення, не перевищує декількох електронвольт (тобто менше енергії типового хімічного зв'язку), що забезпечує можливість неруйнівного контролю об'єкту, тоді як в електронній мікроскопії високого розділення вона досягає декількох кілоелектронвольт і навіть мегаелектронвольт, викликаючи утворення радіаційних дефектів. Існують такі режими роботи СТМ:

Режим постійного струму (constant - currentmode). У цьому режимі I і V підтримуються постійними, X і У варіюються для сканування голкою досліджуваної ділянки поверхні, a Z при цьому вимірюється.

Режим постійної висоти (constant - heightmode). Іноді зображення, що отримуються в цьому режимі, називають струмовими (currentimaging). У цьому режимі Z і V підтримуються постійними, зміни X і У служать для сканування, а I вимірюється.

Режим спектроскопії (scanningtunnelingspectroscopy (STS)). Відмінною рисою цього режиму є те, що варіюється V.

1.2 Принцип роботи АСМ.

Принцип роботи атомно-силового мікроскопа заснований на реєстрації силової взаємодії між поверхнею досліджуваного зразка і зондом. В якості зонда використовується нанорозмірнаголка, що розташована на кінці пружної консолі, званої кантилевером. Сила, що діє на зонд з боку поверхні, призводить до вигину консолі. Поява височин або западин під голкою призводить до зміни сили, що діє на зонд, а значить, і зміни величини вигину кантилевера. Таким чином, реєструючи величину вигину, можна зробити висновок про рельєф поверхні.

Рисунок1.2.Схема роботи атомно-силового мікроскопа[5]

Під силами, що діють між зондом і зразком, в першу чергу мають на увазі сили Ван-дер-Ваальса, які спочатку є силами тяжіння, а при подальшому зближенні переходять в сили відштовхування.

Рисунок1.3. Графік залежності сили Ван-дер-Ваальса від відстані між кантилевером і поверхнею зразка [5]

Існують такі режими роботи АСМ:

Залежно від характеру дії сили між кантилевером і поверхнею зразка виділяють три режими роботи атомно-силового мікроскопа :

-Контактний ( англ. contact mode )

-Напівконтактний ( англ. semi - contact mode або tapping mode )

-Безконтактний ( англ. non - contact mode )

Тут необхідно пояснити, що саме береться за нуль відстані щоб уникнути плутанини. На рисунку 2 нуль відповідає нульовій відстані між ядрами атома на поверхні і найбільш виступаючого атома кантилівера. Тому нуль сили знаходиться на кінцевій відстані, відповідному кордоні електронних оболонок цих атомів ( при перекритті оболонок виникає відштовхування). Якщо взяти за нуль кордону атомів, то сила звернеться в нуль в нулі відстані.



РОЗДІЛ 2.СПЕКТРОСКОПІЯ. МЕТОДИ СКАНУЮЧОЇ ЗОНДОВОЇ МІКРОСКОПІЇ

Спектроскопія - розділ фізики, присвячений вивченню спектрів електромагнітного випромінювання.Аналіз спектрів дозволяє визначати енергетичні рівні досліджуваної системи. Також з наявності й інтенсивності випромінювання певного роду в спектрах проводять якісний і кількісний аналіз складу речовини.Можна виділити два типи спектроскопії. У рамках класичної спектроскопії спектр отримують завдяки розкладу світла призмою, або дифракційною ґраткою.

Рисунок 2.1. Розклад світла призмою[5]

Другий тип -- Фур'є спектроскопія. У цьому випадку вимірюється часова залежність коливання системи. Після виконання перетворення Фур'є отримують частотну характеристику системи.

2.1 Комбініційне розсіювання

Комбінаційне або Раманівське розсіювання відкрили в 1928 році Раман і Крішнан, а також, незалежно, радянські фізики Мандельштам і Ландсберг.Комбінаційне розсіювання - непружнерозсіювання світла, при якому частота розсіяної хвилі змінюється на величину частоти власних коливань молекули.

Випромінювання на частоті меншій від частоти падаючої хвилі називається стоксовим. При стоксовому випромінюванні частина енергії поглинутого фотона йде на збудження коливань у молекулі.

Рисунок 2.2.Схема рівнів та переходів між ними при раманівському розсіюванні[1]

Випромінювання на частоті більшій за частоту падаючої хвилі називається антистоксовим. При антистосковому випромінюванні молекула віддає електромагнітному полю енергію свого коливання.

Раманівське розсіювання широко використовується для вивчення коливальних спектрів молекул, характеристики поверхні кристалів.

2.2 Оптичної мікроскопія ближнього поля (СБОМ)

Скануюча оптична мікроскопія ближнього поля (СБОМ) це один із способів подолати межу діффракціі. Світло не може пройти через отвір менше половини довжини хвилі (близько 200 нм для видимого світла). Але на відстанях, порівнянних з довжиною хвилі світло може «заходити» за площину отвору.

Нові напрямки в науці вимагають нових методів дослідження. Для отримання найбільш повної інформації про досліджуваний зразок необхідний комплексний підхід, що поєднує в собі можливості відразу декількох вимірювальних методик.

Іншими словами, якщо дуже маленький отвір підвести дуже близько до поверхні, світло зможе провзаємодіяти з речовиною (розсіятися, відбитися, викликати флуоресценцію). Тому людьми придумані різні варіанти пристроїв, що дозволяють їх підводити, світло до таких «дуже маленьких» отворів (реальний діаметр отвору 50-100 нм) і підводити самі такі «джерела» світла дуже близько до поверхні.

Рисунок 2.3. Оптична мікроскопія ближнього поля. [7]

Практично всі з відомих схем СБОМ реалізовані в приладі ІНТЕГРА Спектра (виробництва НТ-МДТ). Нанолабораторія ІНТЕГРА Спектра - це перша в світі інтеграція атомного-силового мікроскопа (АСМ) з конфокальної КР / флуоресцентної мікроскопії та спектроскопією.

Рисунок 2.4. ІНТЕГРА Спектра. [7]

Використовуються такі прилади для дослідження оптичних властивостей поверхні з роздільною здатністю до 30 нм. Наприклад, у виробництві нанорозмірних оптичних пристроїв, фундаментальних дослідженнях фотоніки та плазмонікі, а також для розробки технологій альтернативної енергетики (високоефективні фотоперетворювачі).У тому ж приладі є можливість з'єднати АСМ і спектроскопію комбінаційного розсіювання (КР). Крім простого з'єднання методів, прилад дозволяє реалізувати режим гігантського посилення сигналу КР (TERS - tip-enhancedRamanscattering). Цей режим дає можливість робити спектроскопію (яка за логікою обмежена диффракцією) з роздільною здатністю до 14 нм.

2.3 Наноіндентування (НІ)

Індентування проводиться вдавлюванням в досліджуваний зразок індентора, що володіє відомими механічними властивостями - формою, модулем пружності і т. д., із заданим зусиллям. Далі або досліджується форма і розмір плями контакту, або будується крива залежності положення індентора від навантаження. У першому випадку потрібно більш просте устаткування, у другому вдається отримати більше інформації про матеріал.При переході до наномасштабів для вивчення плями контакту не обов'язково потрібно атомно силовий мікроскоп або скануючий електронний мікроскоп, можлива реалізація індентування на приладах, що використовують класичні індентори, але з високою якістю виконання (малим радіусом заокруглення) завдяки цьому наноіндентування практично завжди проводиться зі зняттям кривої навантаження / впровадження.

Нахил цієї діаграми при розвантаженні, тобто зниженні діючої сили до нуля, визначається модулем пружності матеріалу. Однак, у зв'язку із зростанням впливу поверхневих ефектів у наномасштабі повністю врахувати вплив пластичної зони біля кінчика індентора і сил адгезії на поточний момент неможливо.Використання спеціальних приладів наноіндентування дозволяє отримати якісну криву "навантаження-розвантаження" завдяки високій міцності індентора і системи його кріплення, а також відсутності ефектів сполучених з прогином кантилівера, як у випадку СЗМ або АСМ.

Визначення пластичних і реологічних властивостей матеріалу при індентування вимагає не тільки фіксації кривої навантаження / впровадження, але і вимірювання залежності цих параметрів від часу.

Обладнання для наноіндентування вимагає найвищої точності виготовлення і налаштування.

Рисунок 2.5. Установка «Наноскан 3D», призначений для дослідження матеріалів методами індентування і дряпання в наномасштабі.[5]

Рисунок 2.6.Конструкція модуля наноіндентування NHT2 [5]

мікроскоп атомний призма наноіндентування

2.4 Поверхнево посилене раманівське розсіювання (SERS)

Гігантське комбінаційне розсіювання світла - ефект, що проявляється у збільшенні (~106 і вище) інтенсивності ліній при комбінаційному розсіянні світла на адсорбованих молекулах.У зарубіжній літературі ГКР зазвичай називають поверхнево посиленим раманівським розсіюванням (SERS - surfaceenhancedRamanscattering).

Вперше метод поверхнево посиленого комбінаційного розсіяння (SurfaceenhancedRamanscattering - SERS) був випробуваний більше 30 років тому в 1974 році, коли спостерігалося посилене рекомбінаційно розсіяного адсорбованого піридину на поверхні срібного електрода. З тих пір були проведені численні дослідження, присвячені даній тематиці, з різними поверхнями.

Точний механізм ефекту посилення ГКР все ще є предметом дискусій в літературі. Існують дві основні теорії і в той час як їх механізми істотно відрізняються, що відрізняють їх експериментально не була простою. Електромагнітна теорія постулює збудження локалізованих поверхневих плазмонів, в той час як хімічна теорія передбачає формування комплексів з переносом заряду. Хімічна теорія відноситься тільки до видів, які сформувалися в хімічний зв'язок з поверхнею, тому він не може пояснити видимого посилення сигналу у всіх випадках, а електромагнітна теорія може застосовуватися навіть у тих випадках, коли зразок фізадсорбований на поверхню.

Комбінаційні сигнали за своєю природою слабкі, особливо при використанні видимого світла збудження, так як невелика кількість розсіяних фотонів доступні для виявлення. Один спосіб підсилювати слабкі сигнали комбінаційного розсіювання є використання поверхнево-посиленого комбінаційного розсіяння (SERS). У ГКР використовуються нанорозмірні шорсткі поверхні металу зазвичай виготовляють із золота (Au) або срібла (Ag). Під час проходження лазерного променя по поверхні зразка виникає сильно локалізоване (плазмонне) світлове поле. Коли молекула поглинає або знаходиться дуже близько до посиленого поля, то на поверхні можна спостерігати посилення комбінаційного сигналу.Комбінаційні сигнал може бути посилений ще більше, коли шорстку поверхню металу використовують у поєднанні з лазерним світлом, який узгоджений з максимумами поглинання молекули. Цей ефект відомий як поверхнево-розширене резонансне комбінаційне розсіяння (SERRS).

Рисунок 2.7.Концептуальна ілюстрація SERS. [8]



ГКР знаходить все більшширокогозастосування, а саме:

* Основианалітичноготестування вхімії;

* Розробкаліків;

* Судово - медична експертиза;

* Медично - діагностичні прилади

Рисунок 2.8Приклад діагностики за допомогою SERS [8]

На даному рисунку зображеніспектри SERS з чистого C. Albicans, чистої кишкової палички, а також суміші з двох. Характеристики піків позначені на затінених клітинах.

2.5Раманівське розсіювання посилене зондом (TERS)

Установка складається з атомно-силового мікроскопа (АСМ) і спектрометра комбінаційного розсіювання.Якщо металевий наконечник AСM знаходиться близько до поверхні зразка, всередині лазерної фокальної плями відбувається локальне підвищення електричного поля.Просторовий дозвіл посиленого комбінаційного сигналу потім визначається розміром наконечника. Використання установки дозволяє комбінувати АСМ вимірювання (надання інформації про топографію) з (комбінаційними) спектроскопічними вимірюваннями на тому ж місці зразка, які були характерні для АСМ.

Рисунок 2.9. Принцип роботи TERS [9]

2.6 Поверхнево посилена флуоресцентна спектроскопія (TEFS)

Взагалі кажучи, люмінесценцією називається процес випускання електромагнітного випромінювання речовиною після того, як речовина поглинуло енергію джерела світла. Люмінесценція називається флуоресценцією, якщо тимчасова затримка між збудженням і випромінюванням порядку 10 нс.

Лазерно індукована флуоресценція може бути використана у великій кількості додатків, включаючи якісні та кількісні вимірювання концентрації молекул в зразках, і створення діаграм енергетичних рівнів. Вивчення флуоресценції зазвичай проводиться за допомогою лазерів, безперервного випромінювання. Переналаштовуваність лазерів на барвниках або лазерів на титан-сапфірі з подвоєнням частоти розширює експериментальні можливості вивчення безперервної флуоресценції.Для вивчення широкосмугової флуоресценції в твердих і рідких зразках зазвичай зручні ширини ліній от 2 до 400 ГГц для вивчення флуоресценції в напівпровідниках, полімерах тощо.



РОЗДІЛ 3.ПЕРШИЙ ПОВНІСТЮ АВТОМАТИЗОВАНИЙ КОМПЛЕКС, ЯКИЙ ОБ'ЄДНУЄ ЗОНДОВУ, ОПТИЧНУ МІКРОСКОПІЮ І СПЕКТРОСКОПІЮ

* Одночасна АСМ і конфокальна мікроскопічна (Раман, флуоресценція) візуалізація звикористанням різних об'єктивів (аж до 100x ).

* Вільне обертання турелі мікроскопа з 4-ма об'єктивами при підведеному до зразка АСМзонда.

* Автоматичне відведення АСМ головки (для чисто оптичних вимірювань або при використанніоб'єктивів з малим робочим відрізком).

* HotSpot - автоматичне визначення TERS - активної ділянки на зонді.

* Повна автоматизація, легкість управління.

Рисунок 3.1. Зображення турелі [6]

До властивостей даної системи можна віднести:

Повна автоматизація

* Позиціонування зразка і сканування.

* Налагодження системи реєстрації вигинів кантилевера.

* Підведення / відведення зонда.

* Налаштування параметрів сканування.

Унікальні СЗМ можливості

* Низький шум. Сканування з роздільною здатністю аж до атомного.

* Великий розмір зразка (до 50х50 мм). Тримач предметного скла до 75х25 мм.

* Підтримка всіх типів зондів (кантиліверні і камертонні датчики, СТМ).

* Підтримка більше 30 АСМ методик - одночасно з Раман / флуоресцентними вимірюваннями.

Рис. 3.2. Зображення АСМ головок [6]

Унікальним є те що дана система об'єднує АСМ - Раман / флуоресценцію - СБОМ - TERS, тобто:

* Конфігурації «на віддзеркалення » і « на пропускання » (зверху і знизу).

* Професійний прямий мікроскоп з туреллю для 4- х об'єктивів. Допускається установка будь-якихоб'єктивів - від оглядового до високої здатності з підвищеною числовою апертурою. Вільназміна об'єктивів без відведення АСМ зонда від поверхні.

* Сканування лазерною плямою по поверхні. Здійснюється дзеркалом з п'єзоприводами,забезпеченими датчиками зворотного зв'язку. Забезпечується нанометрова точність і стабільністьпозиціонування.

* Волоконне або пряме введення/виведення лазера і реєстрованого випромінювання. Спеціально розроблений оптомеханічний вузол дозволяє через оптоволокно здійснювативисокоефективне введення лазерного випромінювання та виведення оптичного сигналу на монохроматор.Можливий також прямий оптичний зв'язок комплексу SPECTRUM з комерційно доступними Раманмікроскопами різних виробників (SOL Instruments, Renishaw і т.д.).

* Скануюча ближньопільна оптична мікроскопія (СБОМ). Апертурні (кантиліверні і оптоволоконні зонди) і безапертурні методики. Зовнішній вигля системи показаний на рисунку 3.3.

Рисунок 3.3. Зовнішній вигляд системи [6]

1. Конфокальний модуль, що включає скануючедзеркало.

2. Прямий мікроскоп Mitutoyo.

3. 4- х позиційна турель для об'єктивів.

4. АСМ модуль з головками для різних типів зондів ( кантилівер, кварцовий резонатор, СТМ голка).Головка для роботи в рідині. система оптичної реєстрації вигинів кантилевера.

5. Вимірювальний стіл, що включає:

* п'єзосканер зразка ( 100х100х10 мкм) ;

* моторизований позиціонер зразка ( 35х35 мм);

* ручний позиціонер АСМ модуля ( 3х3 мм);

* моторизований і п'єзоприводи для фокусування об'єктива;

* нагрівальний столик.

6. Модуль СБОМ.

В даному мікроскопі можна спостерігати різні оптичні конфігурації:

Пряма конфігурація з скануючим дзеркалом

* Оптимізована для непрозорих зразків.

* Система прецизійного подвійного сканування із зворотнім зв'язком по датчикам; 3 осі сканування зразком і2 - лазерною плямою.

* Оптичний дозвіл до 400 нм одночасно з АСМ.

* Оптичне збудження і збір випромінювання об'єктивом звисокою числовою апертурою одночасно з АСМ.

* Лазерне сканування для автоматичного визначення TERS - активної ділянки на зонді.

СБОМ опція

Моторизований Z -привід для нижнього об'єктива, точне фокусування Z- п'єзоприводом. Спеціальний вузол дляволоконного введення/виведення випромінювання. Можуть використовуватися об'єктиви з різним збільшенням.

« На просвічування » - оптичне збудження через апертуруСБОМ зонда, детектування сигналу, зібраного нижнімоб'єктивом.

« На збір » - оптичне збудження через об'єктив знизу,збір оптичного випромінювання через апертуру СБОМ зонда,і реєстрація детектором спектрометра.

Рис.3.4 Оптичні конфігурації. [6]

Також доступна побудова оптичних зображень з високою здатністю, без обмеження полем зоруоб'єктива.Автоматичне АСМ-Раман панорамнесканування з високою роздільною здатністю. Вибір ділянки зразка (будь-якого розміру, безобмеження сканером).Автоматичний підвід зонда. Автоматична побудова панорамнихзображень з безлічі АСМ сканів іконфокальнораманівських/флуоресцентних картрізних ділянок. Автоматична зшивання зображень.



ВИСНОВКИ

Отже за результатами виконаної роботи можна зробити наступні висновки :

На сьогодні існує цілий спектр методів скануючоїзондової мікроскопії (СЗМ) - тунельної (СТМ), атомно-силової (АСМ), наноіндентування (НІ), оптичної мікроскопії ближнього поля (СБОМ), локального підсилення сигналу (SERS, TERS, TEFS, S-SNOM) та інших. Залежно від області досліджень як правило обирають необхідне обладнання із відповідними зондами, програмним забезпеченням. При поєднанні методів СЗМ та спектроскопії можливе отримати інформацію не тільки про структуру та інші властивості поверхні але й про її елементний склад.

Сучасна зондова мікроскопія - єдина багатофункціональна система методів для дослідження як топографії та елементного складу поверхні, так і сукупності механічних, електронних, магнітних, оптичних та інших властивостей.



СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Миронов В.Л. - М.: Техносфера, 2004. - 143 с.

Володин А.П. Сканирующая микроскопия / Володин А.П. - М.: Наука, 1998. - 114 с.

Неволин В.К. Основы туннельно-зондовой технологии /

Неволин В.К. - М.: Наука, 1996. - 91 с.

Володин А.П. Новое в сканирующей микроскопии / Володин А.П.- М.: Наука, 1998. - 42 с.

Размещено на Allbest.ru

...