Файл: Методичка по АСМ 2011.doc

2.Атомно-силовая микроскопия

2.1.Устройство и принцип работы АСМ Femtoscan Online

Основные компоненты СЗМ Все сканирующие зондовые микроскопы содержат следующие компоненты: Микроскопический зонд, который взаимодействует с исследуемой поверхностью во время сканирования. Пьезоэлектрические двигатели (сканеры) для перемещения зонда относительно образца или образца относительно зонда. Электронная цепь обратной связи, позволяющая с высокой точностью контролировать расстояние от зонда до поверхности образца. Компьютерная система, которая управляет микроскопом, принимает и записывает регистрируемые данные, строит СЗМ изображения и позволяет их обрабатывать. Система регистрации взаимодействия зонда и поверхности (для атомно-силовых микроскопов – оптическая система регистрации малых изгибов консоли кантилевера).

Устройство атомно-силового микроскопа Femtoscan Online представлено на рис 1.

Рис.1. Устройство атомно-силового микроскопа

Принцип работы АСМ основан на силовом взаимодействии между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики (кантилеверы), представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце.

Процесс исследования образца методом АСМ происходит следующим образом. Исследуемый образец крепится к столику пьезоэлектрического сканера, который с высокой точностью перемещает его относительно зонда с использованием развертки по строкам и по кадру. Вначале образец приближается к зонду вручную на безопасное расстояние (без контакта), а затем автоматически с помощью системы позиционирования зонда – непосредственно к поверхности образца до контакта (0.1-10нм).

Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Система обратной связи отслеживает и поддерживает положение зонда относительно поверхности (либо постоянное расстояние зонд-образец в режиме постоянной высоты, либо постоянное взаимодействие в режиме постоянной силы). Регистрируя величину изгиба с помощью оптической системы, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью и получать информацию о топографии и свойствах поверхности. Регистрируемый сигнал записывается, обрабатывается компьютером, который формирует сканированное изображение рельефа поверхности и строит его с помощью графических средств.

Силы взаимодействия между зондом и поверхностью

Характер взаимодействия зонда с поверхностью достаточно сложен. Он определяется свойствами зонда, образца и среды, в которой проводится исследование. При исследовании незаряженных поверхностей на воздухе основной вклад в силовое воздействие зонда и образца дают силы отталкивания, вызванные механическим контактом крайних атомов зонда и образца (силы Ван-дер-Ваальса), а также капиллярные силы, связанные с наличием пленки адсорбата на поверхности образца.

---

Наиболее часто энергию Ван-дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, аппроксимируют степенной функцией – потенциалом Леннарда-Джонса (рис. 2):

(1)

Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее притяжение, обусловленное, в основном, диполь - дипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях. Параметр r₀ – равновесное расстояние между атомами, U₀ – значение энергии в минимуме.

Рис. 2. Вид потенциала Леннарда-Джонса

При больших расстояниях между атомами острия зонда и поверхности (правая часть кривой) они не взаимодействуют. При сближении они начинают сначала слабо, а затем все сильнее притягиваться. Сила притяжения будет возрастать до тех пор, пока электронные облака атомов не начнут электростатически отталкиваться. При дальнейшем сближении электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются при расстоянии между атомами порядка двух ангстрем, что приблизительно соответствует длине химической связи. Когда суммарная межатомная сила становится положительной (отталкивающей), то это означает, что атомы вступили в контакт.

Кантилеверы

Основным элементом атомно-силового микроскопа является зондовый датчик (кантилевер), представляющий собой упругую консоль (пружину) с известной константой упругости и с острым зондом на свободном конце (рис. 3).

Рис. 3. Схематическое изображение кантилевера АСМ.

Кантилеверы изготавливаются из кремния и для лучшего отражения их обратную часть покрывают золотой пленкой.

К основным характеристикам зондового датчика относятся радиус закругления острия зонда, константу упругости консоли и резонансную частоту. Обычно используются зонды с радиусом закругления острия порядка 10 нм, но в последнее время появились зонды с выращенными на острие «усиками» с радиусом закругления 1-3-нм, которые используются для получения высокого разрешения при исследовании объектов с размерами в несколько нанометров.

Константы упругости консоли должны быть меньше, чем константы упругости между атомами в твердом теле (порядка 10 Н/м), чтобы не разрушать при сканировании образец. Для контактного режима АСМ используются кантилеверы с низкими константами упругости (порядка 0.01-10 Н/м), т.к. они отклоняются при сканировании без деформации исследуемой поверхности.

Упругая деформация кантилевера (изгиб и кручение) регистрируется оптической системой, состоящей из лазера и четырехсекционного фотодиода (A,B,C,D). Луч полупроводникового лазера, закрепленного на измерительной головке, фокусируется на конце консоли кантилевера, а отраженный луч настраивается так, чтобы попадать в центр фотодиода (рис.1).

Контролируемое позиционирование образца по X,Y,Z с точностью до 0.001нм осуществляется пьезодвигателями (пьезосканерами). Используемые в них пьезокерамические материалы (наиболее распространенный материал – цирконат-титанат свинца) изменяют свои размеры под действием приложенного к ним электрического напряжения (пьезоэлектрический эффект).

---

2.2.Контактный режим АСМ-микроскопии

По степени контакта между острием зонда и поверхностью исследуемого образца работа атомно-силового микроскопа может проходить в контактном, бесконтактном и полуконтактном (сочетание контактного и бесконтактного) режимах.

В контактном режиме (режиме отталкивания) острие кантилевера приходит в мягкий «физический контакт» (на расстояние 1-3 нм) с поверхностью образца. Кантилевер выбирается с низкой константой упругости, величина которой должна быть меньше, чем эффективная константа упругости, удерживающая атомы образца вместе. Для АСМ это означает, что скорее изогнется измерительная консоль, чем удастся прижать иглу к поверхности образца.

В контактном режиме АСМ изображение рельефа исследуемой поверхности формируется либо при постоянной силе взаимодействия зонда с поверхностью (сила притяжения или отталкивания), либо при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца. Режим сканирования выбирается в зависимости от масштаба неровностей рельефа.

При сканировании образца в режиме постоянной силы (F_z=const) система обратной связи поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера, а, следовательно, и силу взаимодействия зонда с образцом. При этом управляющее напряжение в петле обратной связи, подающееся на z-электрод сканера, будет пропорционально рельефу поверхности образца. Режим постоянной силы используется в случае, если размер неровностей на поверхности образца составляет более 1нм.

При исследовании образцов с малыми (порядка единиц ангстрем) перепадами высот рельефа применяется режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью (Z=const). Зонд движется на некоторой средней высоте Z_ср над образцом, при этом в каждой точке регистрируется изгиб консоли ΔZ, пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности. АСМ изображение в этом случае характеризует пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.

Переменная сила используется для сканирования маленьких (не более 10х10нм) моноатомно гладких областей. Этот режим применяется для исследования строения поверхностных атомных сеток и моноатомных ступеней на поверхности кристаллов.

Однако в контактном методе зонд непосредственно механически воздействует на поверхность, что часто приводит в поломке зондов или разрушению поверхности образцов. Этот метод не может быть применен для исследования образцов с малой механической жесткостью поверхности. В этом случае желательно применять режимы АСМ, в которых регистрируют параметры взаимодействия колеблющегося с определенной частотой и амплитудой кантилевера (бесконтактный и полуконтактный).

2.3.Тестовые объекты.

Для определения достоверности исследований методом АСМ – микроскопии проводится тестирование и калибровка работы микроскопа и тестирование качества зондов.

---

Для калибровки и определения рабочей формы зондов используются специальные тестовые структуры с известными параметрами рельефа поверхности. Большой выбор калибровочных решеток различного типа предлагает фирма MicroMasch.

Калибровочная решетка в виде острых шипов (рис.4,а) позволяет оценить качество острия зонда. Прямоугольная решетка (рис.4,б) помогает восстановить форму боковой поверхности зонда. Вместе это дает полное представление о форме рабочей части зонда.

а)	б)

Рис.4. Калибровочные решетки для определения рабочей формы зондов а) TGT1, б) TGX1 .

Для калибровки микроскопов в плоскости сканирования и по вертикали применяются дифракционные решетки с субмикронными размерами.

При отсутствии специально изготовленных калибровочных решеток, можно использовать в качестве тестового объекта для получения атомарного разрешения свежий скол слюды или высоко ориентированного пиролитического графита (ВОПГ), т.к. параметры их рельефа хорошо известны. Преимуществами графита как тестового образца являются:

• стабильная работа выхода;

• низкая концентрация точечных и линейных дефектов;

• низкая химическая активность в атмосферных условиях;

• возможность получения атомарно – чистой поверхности.

2.4. Разрешение в АСМ

Разрешающая способность АСМ в нормальном и латеральном направлениях сканирования оценивается по-разному. Она определяется качеством зонда и чувствительностью системы регистрации отклонений кантилевера.

В направлении z (т.е. по нормали) разрешающая способность АСМ определяется уровнем шумов пьезосканера, кантилевера и элементов электронного блока (предусилителя, цепи обратной связи, высоковольтных усилителей). Минимальное изменение z-координаты зонда при сканировании, детектируемое на уровне шумов, может служить критерием разрешающей способности по нормали к исследуемой поверхности. В зависимости от параметров эксперимента предел разрешения по нормали составляет доли-единицы ангстрем.

Латеральное разрешение определяется двумя факторами: размером шага изображения и минимальным радиусом острия зонда.

Если АСМ - изображение имеет размер более, чем 1х1 мкм², то разрешение определяется величиной шага изображения (например, скан 1х1 мкм² при формате данных 512х512 точек будет иметь размер шага и разрешение 20Å). В случае исследования молекулярной или атомной структуры предельное разрешение будет достигнуто только в том случае, если с исследуемой поверхностью будет взаимодействовать один крайний атом острия зонда, что реально не реализуется.

Во всех случаях атомно-силовой микроскопии, чем острее зонд, тем выше будет разрешение.

2.5. Шероховатость поверхности твердого тела

Атомно-силовая микроскопия позволяет исследовать рельеф поверхности с нанометровым разрешением. Этот факт успешно используется для исследования поверхностной шероховатости, формирующейся в результате различных процессов.

---

Шероховатость поверхности – это совокупность неровностей, образующих микрорельеф поверхности с относительно малыми шагами, выделенная, например, с помощью базовой линии или части плоскости. Оценивать шероховатость можно как для поверхности, так и для конкретного выделенного профиля вдоль заданного отрезка.

Оценивают шероховатость одним или несколькими параметрами. Чаще всего для поверхности применяют: среднее арифметическое отклонение профиля R_a, высоту неровностей профиля по десяти точкам R_z, наибольшую высоту неровностей профиля R_max, среднеквадратичную шероховатость R_q..

1. R_a - средняя шероховатость определяется как среднее арифметическое отклонение профиля от средней наклонной прямой или плоскости, проведенной методом наименьших квадратов. Этот параметр определяется как площадь отклонения профиля шероховатости относительно средней прямой (плоскости), деленной на общую длину базовой линии, и численно равен интегралу:

для дискретного случая

.

Аналогичные расчеты проводятся для поверхности. R_a не дает полной картины профиля шероховатости поверхности, так как многие поверхности могут иметь одинаковую среднюю шероховатость, но различную форму.

2. R_q.. - среднеквадратичная шероховатость характеризует среднеквадратичное отклонение профиля поверхности относительно базовой линии и вычисляется как

3. R_max - наибольшая высота неровностей профиля или расстояние между наибольшим пиком и наибольшей впадиной на базовой линии (плоскости).

4. R_z – высота неровностей профиля по 10 точкам определяется как

, где

R_nmax n=1…5 пять высот наибольших пиков, R_nmin n=1…5 пять высот наибольших впадин.

5. R_sk – параметр асимметрии описывает форму функции распределения вероятности, то есть симметричность разброса профиля относительно средней линии.

,

Профиль с положительным коэффициентом асимметрии имеет высокие четкие пики, которые выделяются от среднего. Поверхности с отрицательным коэффициентом асимметрии R_sk имеют четкие глубокие впадины в гладких плато. В менее очевидных случаях R_sk.

6. R_ku – мера эксцесса.

Этот параметр характеризует отклонение гистограммы от гауссовой формы, то есть ширину пиков или впадин. Если гистограмма имеет гауссову форму, то R_ku=3. Если профиль поверхности имеет узкие пики или впадины, то R_ku >3.

3. Артефакты АСМ

При сканировании методом атомно-силовой микроскопии возможно появление аппаратных эффектов (артефактов), искажающих реальную картину.

Появление артефактов может быть вызвано рядом причин:

Во-первых, оказывает влияние форма зонда.

Например, если острие зонда скололось и зонд имеет несколько вершин вместо одной, то наблюдается двоение (троение и т.д.) объектов на изображении поверхности.

Боковая поверхность объекта искажается в случае сканирования тупым зондом (рис.5).

---