3.7 Методы сканирующей зондовой микроскопии

Лауреат Нобелевской премии по физике 2000г. Ж.И.Алфёров считает зондовые сканирующие методы одним из трёх краеугольных камней нанотехнологий наряду с молекулярно-лучевой эпитаксией и самосборкой атомных кластеров на поверхности. Достоинства названных технологий:

- они очень гибки и универсальны по отношению к материалам и разнообразным задачам (применимы для исследования топографических, электрических, магнитных, оптических, химических и других характеристик как периодических, так и непериодических поверхностных структур в проводящих, сверхпроводящих, полупроводниковых, диэлектрических, биологических и других материалах);

- легко достигают атомного разрешения;

- могут использоваться как в качестве пассивного средства исследования, контроля и сертификации качества объектов нанонауки и нанотехнологии, так и для их активной модификации;

- относительно просты и дёшевы.

В настоящее время число известных зондовых методов вместе с их модификациями насчитывает несколько десятков и продолжает быстро увеличиваться. Эти методы получили общее название сканирующая зондовая микроскопия. Общим для них является наличие зонда, расположенного в непосредственной близости от исследуемой поверхности, и сканирующего механизма, с помощью которого происходит последовательный тестинг исследуемой поверхности от точки к точке, а затем на мониторе построчно строится изображение.

Другое важное направление развития семейства зондовых методов – переход от пассивного исследования к активному вмешательству и перестройке, модифи-кации поверхности. При этом зонд применяется как атомный пинцет, захватывающий и переносящий атомы в нужное место.

Развитие зондовых технологий позволило использовать их в другой важной сфере – при разработке и применении сенсорных устройств. Высочайшая чувствительность к различным факторам, простота реализации, отработанные способы изготовления самих зондов обеспечивают им большую перспективу в измерительных комплексах, наноробототехнике, биотехнологических приложениях.

3.8 Методы получения информации о структуре вещества в нанометровом диапазоне с помощью сзм

Существует широкий набор методов для исследования поверхностей. По степени взаимодействия зонда с поверхностью различают: контактные, бесконтактные и полуконтактные режимы работы. По типу взаимодействия зонда с поверхностью различают режимы: туннельный, атомно-силовой, электро-силовой, магнито-силовой, ближнепольной оптической, конфокальной микроскопии, метод зонда Кельвина и др. Эти методы подробно рассмотрены в публикациях фирмы NT-MDT и по материалам публикаций описаны в пособии [2]. Основными методами СТМ являются методы постоянного тока и постоянной высоты для получения данных о рельефе, дополняемые методами спектроскопических измерений для получения распределений «работы выхода», «высоты барьера», локальной плотности состо-яний.

3.9 СТМ – метод постоянного тока (МПТ)

СТМ - метод постоянного тока (МПТ) предполагает поддержание в процессе сканирования постоянной величины туннельного тока с помощью системы обратной связи. При этом вертикальное смещение сканера (сигнал обратной связи) отражает рельеф поверхности. Скорость сканирования в МПТ ограничивается исполь-зованием системы обратной связи. Большие скорости сканирования могут быть достигнуты при использовании метода постоянной высоты (МПВ), однако МПТ позволяет исследовать образцы с развитым рельефом.

3.10 СТМ – метод постоянной высоты (МПВ)

При использовании СТМ – метода постоянной высоты (МПВ) сканер СТМ перемещает зонд только в плоскости сканирования, так, что изменения тока между остриём зонда и поверхностью образца отражают рельеф поверхности. Поскольку по этому методу нет необходимости отслеживать зондом расстояние до поверхности образца, скорости сканирования могут быть более высокими. МПВ может быть применён к образцам с очень ровной поверхностью, поскольку неоднородности поверхности выше 5-10 будут приводить к разрушению к

а) схема измерений

ончика зонда.

в) изменение расстояния зонд-

3.11 СТМ – отображение работы выхода

Отображение работы выхода получается путём поточечного измерения логарифмических изменений туннельного тока при изменении расстояния зонд-образец, т.е. наклона кривой зависимости . При проведении измерений этим методом расстояние зонд-образец варьируется синусоидально, путём приложения дополнительного переменного напряжения к сигналу обратной связи, подаваемому на z-секцию пьезосканера. Частота модуляции выбирается много большей полосы пропускания системы обратной связи СТМ в соответствии с рисунком 3.8

3.12 СТМ – отображение плотности состояний [2 ]

СТМ – отображение плотности состояний основывается на том, что измеряемый в СТМ ток определяется процессами туннелирования тока образца через зазор зонд-поверхность. Его величина зависит не только от высоты барьера, но также и от плотности электронных состояний. Соответственно, получаемые в СТМ изображения являются не просто изображениями рельефа поверхности образца, на эти изображения может сильно влиять распределение плотности электронных состояний по поверхности образца. Определение локальной плотности состояний (ЛПС) может также помочь в различении химической природы поверхностных атомов. Метод основывается на измерении распределения ЛПС, которое производится одновременно с получением СТМ изображения. В процессе сканирования напряжение смещения модулируется на величину dU. Частота модуляции выбирается много большей полосы пропускания системы обратной связи СТМ. Результирующая модуляция туннельного тока dI измеряется, делится на dU, и результат представляется в качестве ЛПС изображения в соответствии с рисунком 3.9.

Характерные величины туннельных токов при СТМ, регистрируемых в процессе измерений, являются достаточно малыми – вплоть до 0,03 нА, а со специальными измерительными СТМ головками до 0,01нА, что позволяет исследовать плохо проводящие поверхности. Среди недостатков СТМ можно упомянуть сложность интерпретации результатов измерений некоторых поверхностей, поскольку СТМ изображение определяется не только рельефом поверхности, но и плотностью состояний, величиной и знаком напряжения смещения, величиной тока. СТМ способен формировать изображения отдельных атомов на поверхности металлов, полупроводников и других проводящих образцов путём сканирования образца остроконечной иглой на высоте порядка нескольких атомных диаметров, так что между остриём и образцом протекает туннельный ток.

Преимуществами СТМ изображения плотности состояний являются возможности получения сверхвысоких разрешений атомарных состояний, недостатками – возможность работы только с проводящими образцами, высокие требования к чистоте поверхности.