Файл: Сканирующая зондовая микроскопия диссертация.pdf

81 

В основе большинства реализаций метода лежит изменение резонансной частоты 

колебательного контура, включающего зазор между образцом и зондом (рис. 50), кото-

рое  детектируется  по  изменению  амплитуды  высокочастотного  сигнала  (например,  в 

[248, 466, 467] использовалась частота 915 МГц). Общая измеряемая емкость, как и в 

случае  СТМ-конфигурации,  содержит  геометрическую  емкость,  значительно  превы-

шающую  целевую  емкость  зазора  и,  при  этом,  существенно  изменяющуюся  при  де-

формации кантеливера [476]. Поэтому, как правило, при сканировании поверхности ре-

гистрируется не общая величина емкости, а ее производная dC/dU, несущая информа-

цию о полупроводниковых свойствах объекта (рис. 51), для чего напряжение на образ-

це  дополнительно  модулируется  с  низкой  частотой.  В  бесконтактном  варианте [248, 

466, 467] для мониторинга емкости зазора также использовалась низкочастотная моду-

ляция по высоте. В различных точках поверхности могут измеряться локальные зави-

симости  емкости  или  dC/dU  от  напряжения  (рис. 52). Количественный  анализ  спек-

тральных  данных  в  большинстве  случаев  невозможен,  так  как  для  этого  необходима 

информация  о  радиусе  зонда  и  его  расстоянии  от  поверхности.  Теоретический  анализ 

возможностей метода [477–481] показал, что его разрешение заметно уступает класси-

ческому АСМ и составляет около 10 нм. Уменьшение радиуса зонда, необходимое для 

повышения разрешения, приводит к резкому уменьшению величины измеряемой емко-

сти зазора (до единиц аттофарад). Как и в случае СТМ, при измерениях на воздухе зна-

чительные  проблемы  создает  прослойка  воды,  конденсирующаяся  на  поверхности  об-

разца [482]. 

Рис. 50. Типовая схема высокочастотного измерения емкости зазора в конфигурации 

SCM. При изменении емкости зазора C

TS

, происходит изменение резонансной частоты 

контура и изменяется амплитуда детектируемого переменного сигнала[466]. 

Метод широко используется для изучения распределения носителей заряда в по-

лупроводниковых  гетероструктурах,  покрытых  тонким  слоем  непроводящего  оксида, 

который обеспечивает контролируемый зазор между зондом и полупроводником (кор-

ректное измерение емкости зоны обеднения полупроводника требует отсутствия тока в 

цепи) [468–475]. Для повышения чувствительности метода необходимо увеличение час-

82 

тоты  переменного  сигнала  в  зазоре  (при  частоте 1.3–2.0 ГГц  достигнута  чувствитель-

ность 10

-21

 Ф [483]). Вместо использования резонансного сенсора для измерения емко-

сти, как и в случае микроволновой сканирующей микроскопии, предложено использо-

вать регистрацию высших гармоник токового сигнала, либо разностного низкочастот-

ного  сигнала,  возникающего  при  смешении  в  зазоре  двух  высокочастотных  состав-

ляющих [484,485].  

Рис. 51. SCM изображения работающего полевого транзистора с p-каналом при различ-

ных напряжениях на затворе, показывающие формирование канала проводимости [474]. 

а

 б

 в

Рис. 52. Рассчитанные (а) и экспериментальные (б) C-U зависимости для областей с n- 

и p-проводимостью и в области np перехода полупроводниковой гетероструктуры. 

Экспериментальные зависимости для n- и p-полупроводника в координатах Мотта-

Шоттки (в) [469]. 

83 

1.4.1.3. Локальный импеданс 

Основным  недостатком  метода SCM является  возможность  изучения  только  по-

лупроводниковых  материалов,  покрытых  слоем  изолятора,  для  которых 

d / d

0

C

U ≠

  и 

I = 0. Более универсальным является «классический» низкочастотный метод измерения. 

При  наложении  на  зазор  низкочастотного  переменного  напряжения  и  последующего 

анализа токового отклика с использованием фазочувствительного детектора (синхрон-

ного усилителя, моста переменного тока) возможно одновременное определение емко-

сти и сопротивления зазора (то есть полного комплексного импеданса) [486–489]. Точ-

ность измерения емкости составляет доли аттофарад. Для снижения влияния геометри-

ческой емкости измерительной системы может быть использована мостовая компенса-

ционная  схема [486]. Этот  активно  развивающийся  в  последние  годы  метод  получил 

название nanoscale impedance microscopy (NIM). Он дает возможность не только карти-

ровать свойства поверхности на фиксированной частоте, но и изучать локальную зави-

симость емкости и проводимости от напряжения в зазоре и частоты. Для расширения 

информативности картирования в [490] было предложено использовать сложный про-

филь  возбуждающего  сигнала  (представляющего  собой  суперпозицию  нескольких  си-

нусоидальных колебаний) и последующую цифровую обработку сигнала. Это позволя-

ет измерять полный спектр импеданса в каждой точке поверхности (аналог CITS режи-

ма в СТМ-спектроскопии) без существенного снижения скорости сканирования.  

Метод NIM был реализован при картировании локальной емкости полупроводни-

ковых и диэлектрических материалов [491–493], квантовых точек [494, 495], биологи-

ческих объектов [496]. Разработаны теоретические подходы, позволяющие определять 

из экспериментальных данных толщины и диэлектрическую проницаемость покрытий 

на поверхности образца [491–493, 496]. 

Однако  значительно  более  ценным  в  этой методике  является  возможность  изме-

рения  частотной  зависимости  импеданса.  Упрощенно  область  контакта  кантеливера  и 

образца может быть представлена эквивалентной схемой, изображенной на рис. 53. Для 

гетерогенных керамических материалов, свойства межзеренных границ в которых зна-

чительно отличаются от свойств зерна, сопротивление растекания R

SR

 оказывается час-

тотно зависимым [497–499]. Анализ локальных спектров и карт импеданса при различ-

ных напряжениях позволяет получить информацию о структуре и проводимости меж-

зеренных  границ  (рис. 54). При  использовании  однотерминальной  конфигурации  (рис 

54б) измеряются свойства всего ансамбля границ. Для тестирования свойств индивиду-

альной  межзеренной  границы  необходимо  использование  второго  микроконтакта 

(двухтерминальной конфигурации, рис. 54в). Измерения спектров импеданса использо-

84 

вались также в [500–502] для исследования локальной неоднородности ионной прово-

димости в полимерных твердых электролитов. Более того, данный подход был адапти-

рован для исследования электрической емкости вирусных частиц, адсорбированных на 

поверхности [503]. 

Рис. 53. Упрощенная эквивалентная схема области контакта кантеливера и образца 

[504].  

а

б

в

Рис. 54. Одновременно измеренное топографическое изображение и карты амплитуды 

и сдвига фаз комплексного импеданса трех зерен на поверхности коммерческого 

варистора на основе ZnO при напряжении 35В, частоте 10 кГц и амплитуде 

переменного сигнала 100 мВ (а). Импеданс варистора в однотерминальной (б) и двух-

терминальной (в) конфигурациях, измеренный при различных напряжениях: (б) — 40, 

30 и 20 В, (в) — 5, 3, 2 В. Две полуокружности (в) отвечают транспорту в области меж-

зеренной границе и контакта зонд/образец [497]. 

85 

С другой стороны, в случае, если на границе зонд/образец возможно протекание 

электрохимических  реакций,  то  сопротивление  контакта  R

cont

  характеризует  скорость 

электрохимического  процесса,  а  емкость  C — емкость  двойного  слоя  на  поверхности 

электрода  (рис. 53). В  этом  случае  микроскоп  фактически  работает  конфигурации, 

близкой к SECM, и путем измерения импеданса возможно изучение кинетики электро-

химической реакции в различных точках образца (и локальных транспортных свойств). 

Как R

cont

, так и C пропорциональны площади контакта, поэтому количественное сопос-

тавление результатов требует очень жесткого контроля величины силы прижима канте-

ливера. Данный подход был впервые протестирован на примере реакции восстановле-

ния кислорода и ионного транспорта в мембране на основе нафиона (рис. 55) [499, 504].  

а

 б

 в

Рис. 55. Схема измерений (а) и спектры импеданса, полученные при различном 

прижимном усилии (б). Карты амплитуды и сдвига фаз комплексного импеданса изме-

ренные при частоте 1 Гц на сухой и увлажненной нафионовых мембранах (в) [499, 504].