Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии (Пул), 2005, c.325

З.3. Микроскопия ~,.:)

3.3.2. Нонно-nолевая.микроскопия

Другая техника, дающая разрешение, приближаюшеесяк межатомнымрасстоя­ ниям, это ионно-полеваямикроскопия. В ионно-полевоммикроскопе на метал­

лическую иглу с острым кончиком, находящуюся в камере с высоким вакуумом,

подаетсяположительныйпотенциал. И электрическоеполе, и его градиентвбли­ зи острия весьма велики, так что остаточные молекулы газа при приближении

к нему ионизируются, передавая электроны игле, а сами заряжаясь положитель­

но. Эти газообразныекатионы отгалкиваютсяиглой и летят от нее вдоль линий электростатическогополя на расположеннуювблизи фотопластинку,на которой при соударенияхсоздаютсязасвеченныеточки. Каждаяточка на пластинкесоот­ ветствует атому на кончике зонда, так что распределениеточек на фотопластин­ ке представляет собой сильно увеличенное изображение распределения атомов на вершине иглы. Нарис. 3.14 показан ионно-полевой микроснимок вольфрамо­ вой иглы, на рис. 3.15 - стереографическая проекция кубического кристалла с ориентацией, соответствующей микроснимку рис. 3.14. "Международные таб­ лицы кристаллографии" под редакцией Т. Хана (Хан 1996) содержат стереографи­

ческие проекции для разных точечных групп и классов кристаялов.

3.3.3. Сканирующая.микроскопия

Эффективнымспособом полученияизображенияповерхностиобразца является сканирование поверхности электронным пучком с образованием растра анало­ гичио тому, как электронная пушка сканирует экран в телевизоре. Информация

Глава З. Методы измерений

о поверхности может быть получена и с помощью сканирующего твердотельного зонда, траектория которого проходит по отдельным областям поверхности, вызы­ вающим особый интерес. Сканирование может также выполняться зондом, изме­ ряющим ток, который создается электронами, туннелирующими между поверх­ ностью образца и кончиком зонда, или зондом, измеряющим силу взаимодейст­ вия между поверхностью И кончиком иглы. Далее будут по очереди описаны установки, предназначенные для каждого из этих трех методов: сканирующий просвечивающий электронный микроскоп, сканирующий туннельный микро­ скоп (STM) и атомно-силовой микроскоп (ЛFМ).

Как уже упоминалось ранее, электронная оптика сканирующего электронно­ го микроскопа аналогична покаэанной на рис. 3.10 для обычного просвечивею­

щего электронного микроскопа за исключением того, что при просвечивании

электроны летят слева направо, а при сканировании - справа налево на показан­

ной схеме установки. О работе электронного микроскопа уже было рассказано довольно подробно, так что опишем только отклоняющую систему сканирующе­ го электронного микроскопа, показанную на рис. 3.16. Отклонение осуществля­

ется магнитным полем, создаваемым электрическим током в катушках, по тому

же принципу, что и В большинстве обычных телевизионных приемников. Маг­ нитное поле, создаваемое катушкой, пропорционально приложенному к ней на­ пряжению V. На верхней врезке в левой части рис. 3.16 показано пилообразное напряжение, подаваемое на пары катушек 1], 1] и 12' 12' Магнитное поле катушек

создает силу, отклоняющую электронный пучок слева направо по направлению, указанному линией на образце. Персменные магнитные поля катушек f!, f] и f2, f2 вызывают меньшие отклонения (от ТОчКИ 1 к l' и далее к 1"), показанные на врез­ ке А. Таким образом, электронный пучок все время персмещается по образцу сле­ ва направо и обратно постепенно смещаясь вниз и образуя растр, со временем по­ крывающий всю площадь кадра r Х г. На рис. 3.17 показаны золотые частицы раз­ мером 3 нм на углеродной подложке, сфотографированные с помощью

сканирующего электронного микроскопа.

Сканирующий туннельный микроскоп в качестве зонда использует иглу с ис­ ключительно тонким кончиком. Этот кончик подключают к положительному по­ люсу источника напряжения и приближают к изучаемой поверхности на рассто­ яние порядка 1 нм. Электроны, принадлежащие конкретным атомам на поверх­ ности образца, притягиваются положительно заряженным кончиком и перепрыгиваюг (туннелируют) на него, образуя тем самым слабый электричес­ кий ток. Зонд перемешается по поверхности образцадля получения растра так же, как и электронный луч в предыдущем случае. Обычно используется либо переме­ щение на постоянной высоте, либо так, чтобы постоянным был туннельный ток, как показано на рис. 3.18. В режиме постоянного тока цепь обратной связи под­

держивает постоянное расстояние между зондом и поверхностью, а изучаемым

сигналом является вертикальное смещение зонда. Такой режим работы поддер­ живает туннельный барьер при движении вдоль поверхности одним и тем же. В режиме постоянной высоты расстояние от зонда до поверхности все время ме-

Глава З. Методы измерений

равное 212,78 им, одинаково в обоих случаях. Высота ликов в двумерном случае (13 нм) больше, чем в одномерном (8 нм).

3.4. Спектроскопия

3.4.1. Инфракрасная "романовская спектроскопия

Колебательная спектроскопия имеет дело с фотонами, связанными с переходами

между колебательными уровнями энергии молекул и твердых тел, обычно лежа­

ЩИМИ в инфракрасном (ИК)диапазоне частот от2 до 12·1013 Гц. В параграфе 2.1.5 обсуждались нормальные моды колебаний молекул и твердых тел. Энергетичес­

кая щель многих полупроводников лежит в этом же диапазоне частот и может ис­

следоваться инфракрасными методами.

ВИК-спектроскопии поглощение фотона hv вызывает переход между двумя

Колебательное квантовое число n = О, 1,2, ... - положительное целое, а УО - ха­ рактеристическая частота конкретной моды. В соответствии с правилом отбора д'n = ± 1, инфракрасные переходы наблюдаются только между соседними колеба­ тельными уровнями и, следовательно, имеют частоту УО. В рамановской спектро­ скопии колебательные уровни возбуждаются при поглощеиии фотона с частотой Уinе И переизлучении другого фотона с частотой hvemit:

как выполняется то же самое правило отбора Аn = ±1. Наблюдаются два случая:

1) vinc >vemi1соответствует сгоксовским линиям, И 2) vinc <Veлri/ - антистоксовским. Активные в ИК-диапазоне колебательные моды возникают вследствие измене­

ния электрического дипольного моментам молекулы, в то время как рамановски

активные колебательные моды связаны с изменением поляризуемости Р = 1';",/Е, когда вектор напряженности электрического поля падающего света Е вызывает изменение дипольного момента I';nd в образце. Некоторые колебательные моды ик-активны, то есть видны в обычных ИК-спектрах, некоторые - рамановск:и

активны.

Оптическая и ИК-спектроскопия часто производится в отраженном свете, и при измерении на наноструктурах получают отражательную способность Я, ха­ рактеризующую долю отраженного света. Дпя нормального падения имеем:

(3.10)

где е - диэлектрическая проницаемоотъ вещества. Диэлектрическая проницае­ мость e(v) - комплексная величина, действительная часть которой е'(е) влияет на частоты ИК-полос, а мнимая -e"(v) ответственназа логлощениеэнергии (поте­ ри). для полученияявных частотныхзависимостейe'(v) и e"(v) из измеренных их-спектров отражения используется методика, называемая анализом Крамер­ са-Кронига.

Классическим способом регистрации ИК-спектра является сканирование ча­

стоты падающего света, что позволяет детектору измерять изменения интенсив­

ности отражения для тех частот, на которых образец поглощает энергию. Основ­ ным недостатком такого подхода является то, что детектор дает полезную инфор­

мацию только при попадании частоты на линию поглощения, в то время как

большинство времени частота сканирования лежит вдали от таких линий, а де­ тектор прастаивает. Дпя избавления от этого недостатка современные ИК-спек­ грометры облучают образец широким диапазоном частот одновременно. Полу­ ченные результаты затем обрабатываются с помощью преобразования Фурье для приведения к классическому виду спектра. Полученный таким образом сигнал называется Фурье-преобразованным ИК-спектром. Преобразование Фурье так­

же широко используется в методах ядерного магнитного резонанса, описанных

далее, и других областях спектроскопии.

На рис. 3.23 покаэвн такой спектр нанопорошка нитрида кремния (SiзN4)

с заметными линиями поглощения, соответствующими наличию гидроксиль­

ных Si - ОН, амино- Si - NH 2 и амидо- Si - NH - Si групп на поверхности. На рис. 3.24 показан аналогичный спектр нанопорошка карбонитрида кремния (SiCN), демонстрирующийприсугствие несколькиххимическихсоединений на поверхностипосле активациипри 873 К и их удаление часовым нагреванием при 773 К в атмосфере сухого кислорода.

На рис. 3.25 показано уширение линий рамвновекого спектра наночастиц германия, введенных в тонкопленочную подложку из Si02, при уменьшении их