Файл: Сканирующая зондовая микроскопия диссертация.pdf

126 

а

 б

Рис. 93. СТМ изображение (а) и квазитопографическое изображение сдвига фаз dI/dU 

(б) для объекта, обнаруженного на поверхности высокоориентированного пирографи-

та после неудачных попыток электроосаждения кластеров меди. 

Основным источником информации о микроструктуре для материалов, представ-

ленных выше, все равно остается топографическое изображение. Измерение дифферен-

циальных спектроскопических карт лишь в незначительной мере дополняет и расширя-

ет представления об их строении. Однако в целом ряде случаев топографическое изо-

бражение  не  несет  (и  не  может  нести)  никакой  существенной  информации  об  иссле-

дуемом образце. Эта ситуация реализуется, например, при изучении шлифов керамиче-

ских гетерогенных материалов (подробно эти материалы будут обсуждаться в главе 3) 

(рис. 94). Топографическое изображение для таких материалов характеризует, как пра-

вило, лишь качество полировки поверхности. В некоторых случаях удается визуализи-

ровать  глубокие  поры,  что,  однако,  проще  сделать  с  использованием  метода  скани-

рующей электронной микроскопии. Лишь при картировании в дифференциальном ре-

жиме  удается  однозначно  установить  существенное  различие  свойств  материала  (его 

проводимости) в различных точках поверхности (рис. 94). Измерения локальных вольт-

амперных  кривых  на  участках  поверхности  с  различным  дифференциальным  контра-

стом (рис. 95) подтверждают, что темные области на рис 94в (светлые — на рис. 94б) 

отвечают  полупроводниковому  материалу  с  существенно  более  высокой  проводимо-

стью n-типа. Взаимное расположение областей позволяет заключить, что керамика со-

стоит из крупных зерен, имеющих высокую проводимость, разделенных межзеренными 

прослойками толщиной в несколько сот нанометров, характеризующимися существен-

но  более  низкой  проводимостью.  При  этом  проводимость  в  межзеренных  областях 

имеет более симметричный характер. Специального исследования для определения ло-

кальности дифференциального картирования не проводилось. Тем не менее, на кадрах, 

измеренных с большим увеличением (рис. 96) хорошо видно, что фронт изменения фа-

зы при переходе от участка керамики с более высокой проводимостью к менее прово-

дящему материалу очень резкий. Таким образом, для данного материала, локальность 

127 

метода дифференциального картирования не хуже 4–10 нм, что существенно превыша-

ет  локальность,  достижимую  в  таких  методах,  как conducting probe AFM, electrostatic 

force microscopy, Kelvin probe force microscopy, которые,  как  правило,  используются 

для исследования локальной неоднородности и локальной проводимости подобных ма-

териалов. 

a 

б 

в

Рис. 94. Результаты сканирования в дифференциальном режиме поверхности шлифа 

керамики SnO

2

+1.5%CuO+1.5%Sb

2

O

3

 (см. раздел 3.1). a — топография поверхности, 

б — величина |dI/dU|, в — сдвиг фаз между током и напряжением. 

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

-20

-15

-10

-5

0

5

10

I

ту

н

, н

A

U

тун

, В

 1
 2
 3
 4
 5

Рис. 95. Локальные туннельные вольтамперные зависимости, измеренные в различ-

ных точках, отвечающих зернам и межзеренным областям на поверхности образца ке-

рамики (рис. 94). 

Выше основное внимание было уделено дифференциальным спектрам dI/dU, так 

как они, формально, должны позволять получить информацию об электронной струк-

туре  и  свойствах  исследуемого  материала.  Токвысотные  и  вольтвысотные  спектры  в 

большинстве случаев характеризуют структуру туннельного зазора в целом, наличие в 

нем примесей или конденсированной жидкой фазы. Однако, как показывают измерения 

локальных спектров (см. предыдущий раздел), форма и наклон вольтвысотной зависи-

мости также в существенной мере зависит от свойств материала образца (его деформи-

руемости, проводимости). Действительно, при исследовании гетерогенного композици-

онного материала Pd/полиэтиленгликоль (рис. 97) наблюдается существенный контраст 

128 

на  дифференциальных  картах.  Полиэтиленгликоль  представляет  собой  «мягкую»  пло-

хопроводящую фазу, которая должна характеризоваться большим перепадом высот на 

вольтвысотных зависимостях, и, следовательно, высоким значением dH/dU. Для метал-

лических частиц в составе композиции, наоборот, величина dH/dU должна быть неве-

лика.  Действительно,  на  амплитудной  карте  (рис. 97б)  наблюдаются  четкие  темные 

участки, отвечающие металлическим частицам. Следует подчеркнуть, что, как и в слу-

чае dI/dU, лучший контраст наблюдается на дифференциальной карте сдвига фаз (ин-

вертированный  контраст),  а  не  на  амплитудной  карте.  Для  данного  материала  инфор-

мация, получаемая в режиме дифференциального картирования, также является очень 

существенной,  так  как  топографическое  изображение  не  позволяет  однозначно  разли-

чить фрагменты, состоящие из различных фаз. Возможности использования разностно-

го  картирования  величины 

/

H

U

∆

∆

  для  выделения  областей,  имеющих  различную 

деформируемость (на примере кристаллических и аморфных частиц), были ранее про-

демонстрированы в [209]. 

Рис. 96. Дифференциальные карты сдвига фаз между током и напряжением, измерен-

ные на образце керамики (рис. 94) с большим увеличением и сечения вдоль направле-

ния сканирования. 

129 

a 

б

в

Рис. 97. Топографическое изображение (а) и дифференциальные карты амплитуды (б) 

и сдвига фаз (в) величины dH/dU, зарегистрированные для образца композиционного 

материала Pd/полиэтиленгликоль (см. раздел 4.1). 

Чувствительность  величины  dI/dH  к  параметрам  материала  не  слишком  велика, 

что  хорошо  видно  на  изображениях,  полученных  для  композиционного  материала 

Pd/полиэтиленгликоль с небольшим содержанием полимера (рис. 98). На дифференци-

альных картах преобладает контраст, связанный с топографическим рельефом. Лишь в 

правом  нижнем  углу  наблюдается  несколько  областей,  характеризующихся  меньшей 

величиной наклона dI/dH (рис. 98б), и, следовательно, более высоким содержанием по-

лиэтиленгликоля.  Появление  контраста,  связанного  с  геометрическим  рельефом,  наи-

более  четко  прослеживается  при  дифференциальном  картировании  величины  dH/dU 

(рис. 99), что  является  закономерным  (см.  рис.76).  Это  свойство  дифференциальных 

спектров может быть использовано для идентификации областей топографических изо-

бражений,  структура  которых  существенно  искажена  неидеальностью  формы  острия 

зонда,  и  в  перспективе,  возможно,  найдет  применение  для  оценки  геометрии  зонда  и 

коррекции получаемых топографических СТМ-изображений. 

a 

б 

в

Рис. 98. Топографическое изображение (а) и дифференциальные карты амплитуды (б) 

и сдвига фаз (в) величины dI/dH, зарегистрированные для образца композиционного 

материала Pd/полиэтиленгликоль (см. раздел 4.1). 

130 

 a

 б

Рис. 99. Топографическое изображение (а) и дифференциальная карта амплитуды (б) 

величины dH/dU, зарегистрированные для образца коммерческого ITO. 

2.3. Искажение топографических данных, связанное с не идеальностью  

формы зонда в условиях нелокального переноса электрона 

С самого момента изобретения метода сканирующей туннельной микроскопии (а 

затем и атомно-силовой микроскопии) стало очевидно, что геометрическая форма зон-

да существенно влияет на вид получаемых топографических изображений и на дости-

гаемое в эксперименте разрешение [595]. Поэтому разработки подходов и математиче-

ских методов для оценки формы зонда и коррекции изображений были начаты более 20 

лет назад. Нужно сразу подчеркнуть, что большинство подобных работ ориентированы 

на атомно-силовую микроскопию, как в связи с ее большей распространенностью, так и 

в связи с тем, что АСМ-кантеливеры имеют, как правило, существенно большие радиу-

сы  кривизны,  чем  более  острые  СТМ-зонды,  поэтому  для  них  эта  проблема  особенно 

актуальна. Наиболее очевидным решением этой проблемы является использование тес-

товых образцов с известной геометрией, в качестве которых могут использоваться ка-

либровочные структуры, получаемые травлением кремния [596, 597] или «выращивае-

мые» под воздействием импульса напряжения в туннельном зазоре [598]. Широкое рас-

пространение получило использование для определения формы острия зонда иммоби-

лизованных  коллоидных  частиц  (или  сферических  частиц  большего  диаметра) [599–

604]. В отличие от наноструктур с характерными размерами в сотни или тысячи нано-

метров,  получаемых  травлением,  коллоидные  частицы  позволяют  осуществлять  «ка-

либровку»  непосредственно  геометрии  острия  и  оценивать  искажения,  наблюдаемые 

при исследовании объектов сопоставимых размеров (десятки нанометров). Для многих 

систем загрязнение, износ, деформация острия зонда в процессе подвода и сканирова-

ния делает невозможным использование отдельных калибровочных образцов для пред-

варительного  определения  его  профиля.  Поэтому  для  решения  этой  задачи  действую-

щим  стандартом  стал  метод  «слепой»  реконструкции (blind reconstruction) профиля