Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

тмиэт / тмиэт / Alford Terri M. _Fundamentalnye osnovy analiza nanoplenok (1)

.pdf
Скачиваний:
70
Добавлен:
29.04.2022
Размер:
17.79 Mб
Скачать

350

Глава 14

ра, который изгибается при возникновении силы между иголкой и поверхностью. Оптический детектор позволяет регистрировать величину этого изгиба. Посколь­

ку при малых отклонениях кантилевер подчиняется закону Гука, то по отклоне­ нию лазерного пучка можно найти силу взаимодействия зонда с поверхностью.

Перемещение зонда или самого образца осуществляется исключительно точным

прибором, изготовленным из пьезоэлектрической керамики. Таким образом, ста­ новится возможным субнанометровое сканирование поверхности во всех трех на­

правлениях.

14.3.2. Режимы работы

Обычно ACM-AFM работает в одном из двух режимов: либо в режиме по­ стоянной силы (с управлением посредством обратной связи), либо в режиме по­

стоянт-юй высоты (без использования обратной связи). В случае, если осущест­

вляется контроль с обратной связью, перемещение зонда осуществляется пьезо­

электрическим двигателем, который перемещает образец (или зонд) вверх-вниз

и реагирует на любое изменение силы; при необходимости можно вернуться в

исходную точку (по аналогии с рис. 14.Sa). Такой режим работы известен как ре­ жим постоянной силы; как правило, именно в этом режиме возможно получение четких топографических изображений. В режиме постоянной силы скорость ска­ нирования ограничена временем отклика контура обратной связи, однако полная сила воздействия на образец хорошо контролируется (по аналогии с рис. 14.Sб). Для большинства приложений предпочтительным является именно этот режим.

В режиАtе постоянной высоты, или режиме отклонения, обратная связь ми­

нимальна. Данный режим особенно удобен для получения изображений образцов

с очень гладкой поверхностью с высоким разрешением. Сведенный к минимуму

обратный отклик устраняет такие проблемы, как тепловой сдвиг или возможное

повреждение зонда или кантилевера жестким образцом. Режим постоянной вы­ соты часто используется для снятия изображений ровных поверхностей на атом­

ном масштабе; в этом режиме изгибы кантилевера и прикладываемые силы малы. Данный режим также используется для получения изображений поверхностей, изменяющихся в реальном времени, так как в этом случае требуется высокая ско­

рость сканирования.

После того как атомно-силовой микроскоп зарегистрировал отклонение канти­

левера, возможно построение топографической картины образца в одном из двух режимов - режиме постоянной высоты или режиме постоянной силы. В режиме

постоянной высоты возможно непосредственное построение топографической картины, используя информацию о частичном отклонении кантилевера, посколь­ ку высота сканирования не меняется. В режиме постоянной силы информация об отклонении кантилевера поступает в контур обратной связи, с помощью которой

во время сканирования возможно перемещение кантилевера вверх-вниз по оси

z в соответствии с изменяющейся поверхностью образца так, чтобы отклонение

Сканирующая зондовая .wuкроскопuя

351

кантилевера было постоянным. В этом случае изображение строится в процессе движения сканера. Если отклонение кантилевера поддерживается постоянным, то

исила, действующая на образец, тоже будет постоянной.

14.3.3.Взаимодействие зонда с образцом

Контрастное изображение можно получить несколькими способами. Тремя

основными режимами взаимодействия зонда с образцом являются контактная

люда, режим прерывистого контакта (полуконтактная мода) и безконтактная

мода. Наиболее часто используемым режимом ACM-AFM является контактная

мода. В этом случае зонд и образец находятся в области отталкивания (рис. 14.5) в процессе сканирования. Последствием контактного режима работы является тот факт, что латеральные силы на поверхности образца будут стараться удерживать

зонд.

В безконтактной моде зонд резонирует на определенном расстоянии от по­ верхности, т. е. он не располагается в области отталкивания (рис. 14.5). При ис­ пользовании безконтактной моды желательно проводить измерения в вакууме. Если измерения проводить в некоторой атмосфере, возможно появление тонкого

слоя воды между концом зонда и поверхностью. На рис. 14.lOa и 14.lОб приве­ дено сравнение контактной и безконтактной моды при получении изображения

куска слюды. В данном случае контактный режим более информативен, однако

безконтактный режим безопаснее с точки зрения повреждения зонда образцом.

Недавние достижения привели к разработке метода измерения электростатиче­ ского потенциала с атомным разрешением с помощью ACM-AFM, оборудованно­ го зондом Кельвина. На рис. 14.11 показана АСМ-АFМ-микрофотография атомов Ge на поверхности Si (105) подложки, полученная в бесконтактном режиме. Изо-

а ь

1 1.oµm

105µm

O.Oµm

Рис. 14.10. АСМ-АFМ-изображение куска слюды, полученное в бесконтактном режиме (а) и контактном режиме (б). В данном случае контактный режим более информативен.

[Le Grimellec et al" 1998)

352

Глава 14

Рис. 14.11. АСМ-АFМ-изображение высокого разрешения атомов Ge на поверхности Si (105) подложки. Площадь изображения 4,2 х 4,2 нм. Сдвиг частот - 60 Гц. Амплитуда и частота резонанса кантилевера 3,8 нм и 280482 Гц соответственно (Yukio Hasegawa)

бражение дает информацию об изменениях электростатического потенциала меж­ ду свободными связями, а также обо всех свободных связях поверхностых атомов вне зависимости от электронной конфигурации. Эти результаты ясно показывают, что бесконтактный режим ACM-AFM высокого разрешения с зондом Кельвина может применяться для получения изображений атомной структуры поверхно­

сти и определения ее электронных свойств. Разрешение и результаты измерений

с помощью данного метода находятся наравне или даже превосходят результаты,

полученные с помощью CTM-STM, в котором изображения атомной структуры

получаются только в зависимости от электронных состояний.

На рис. 14.12а показаны последствия присутствия воды в ходе снятия АСМ­ АFМ-изображений. Присутствие влаги от внешних адсорбатов на поверхности может привести к неправильным изображениям. Чтобы не сталкиваться с этой проблемой, для работы в воздушной атмосфере или в присутствии других газов используют режим прерывистого контакта (рис. 14.12б). В этом случае кантиле­ вер колеблется на своей резонансной частоте порядка 100-400 кГц. Зонд касается

поверхности только в течении небольшого периода времени в процессе колеба­

ния для того, чтобы уменьшить влияние сил, действующих вдоль поверхности. Система обратной связи обеспечивает постоянное значение амплитуды резонанса кантилевера. С помощью этого амплитудного сигнала можно получать изобра­ жения, поскольку отклонения от заданной амплитуды колебания, не связанные

Сканирующая зондовая микроскопия

553

а

Полученное изображение

Кангилевер

У Зонд

Капля во,ды на поверхности

ь

Полученное изображение

+

Рис. 14.12. (а) Схематическое изображение, показывающее последствия наличия влаги от

внешних источников в процессе АСМ-АFМ-анализа. (б) Режим прерывистого контакта позволяет избежать ложных изображений поверхности

с системой, контролирующей изменение поверхности образца, малы. Данный

режим устраняет влияние тангенциальных сил на зонд; он стал важным СТМ­

SРМ-методом, поскольку с его помощью можно преодолеть ограничения контакт­ ного и бесконтактного режимов ACM-AFM. На рис. 14.13 приведено сравнение морфологии непосредственно осажденной и обработанной плазмой париленовых пленок в режиме прерывистого контакта. Полученные в присутствии атмосфе­ ры результаты ACM-AFM показали увеличение поверхностной шероховатости

вследствие влияния кислородной плазмы, что находится в согласии с результата­ ми анализа механической адгезии.

а)

Ь)

250 nm

о

о

2500 nm

2500 nm

Рис. 14.13. ACM-AFM изображения париленовой пленки на кремнии: (а) непосредствен­ но осажденная пленка, (Ь) после обработки кислородной плазмой. Оба изображения были

получены в присутствии атмосферы в режиме прерывистого контакта

354

Глава 14

14.3.4. Различные эффекты, связанные с зондом

Контраст АСМ-АFМ-изображения является следствием взаимодействия меж­ ду зондом и образцом. Поэтому понимание особенностей зондов существенно при интерпретации изображения. При анализе с большим увеличением и анализе поверхностей с устойчивой морфологией параметры зонда влияют на разреше­ ние изображения. Если то или иное свойство изображения можно сопоставить с топографической особенностью образца, то, как правило, это находится в прямой зависимости от формы зонда. Например, для того чтобы зонд надлежащим об­ разом взаимодействовал с отдельными атомами, необходимо, чтобы со стороны зонда в этом взаимодействии участвовало только небольшое количество атомов

на его конце. Следовательно, разрешение зависит от того, насколько зонд острый.

Коммерческие зонды, как правило, имеют радиус закругления конца порядка 1О нм. Имеются также более острые (а, значит, более хорошие) зонды. Только доста­ точно острый зонд способен надлежащим образом просканировать поверхность. Некоторые особенности поверхностей могут быть настолько мелкими и тонкими, что ни один зонд не сможет их разрешить без дополнительных приспособлений.

На рис. 14.14 показаны изображения поверхности, полученные с использованием

зондов с радиусами закругления 20 нм (рис. 14.14а) и 2,5 нм (рис. 14.14б). Другим

эффектом является уширение, возникающее в случае, если радиус закругления

конца зонда по порядку величины равен или больше, чем некоторые особенности

поверхности. При сканировании образца боковые поверхности зонда могут пер­

выми коснуться поверхности, и в этом случае микроскоп будет снимать изобра­ жение собственного зонда (ложное изображение), а не изображение поверхности

(см. рис. 14.15).

(а)

(Ь)

Рис. 14.14. Изображения поверхности, полученные с использованием зондов с радиусами

закругления 20 нм (а) и 2,5 нм (Ь).

Сканирующая зондовая микроскопия

355

Рис. 14.15. Схематичное изображение, показывающее кажущееся изменение изображения прямоугольной ямы на изображение ямы, соответствующей форме зонда

Литература

1.R. Wiesendanger, Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy (Cambridge University Press, New York, 1994).

2.D. А. Bonnell, Ed., Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy (VCH Publishers, New York, 1993).

3.С. Kittel, Introduction to Solid State Physics, 5th ed. (JohnWiley and Sons, New

York, 1976).

Приложение 1

Величина кинематического фактора ~ для ионов гелия (4Не+),

рассеиваемых на атомах с целочисленным значением массы

АТОМНАЯ

180°

170°

160°

145°

900

60°

45°

30°

МАССА (а.е.м.)

4

 

 

 

 

О.ООО

0.250

0.500

0.750

6

0.040

0.041

0.043

0.051

0.200

0.476

0.659

0.832

8

0.111

0.113

0.118

0.134

0.333

0.589

0.738

0.873

10

0.184

0.186

0.193

0.213

0.429

0.661

0.787

0.897

12

0.250

0.253

0.260

0.282

0.500

0.711

0.820

0.914

14

0.309

0.311

0.319

0.342

0.556

0.748

0.844

0.926

16

0.360

0.363

0.371

0.394

0.600

0.776

0.863

0.935

18

0.405

0.408

0.416

0.439

0.636

0.799

0.877

0.942

20

0.444

0.447

0.455

0.478

0.660

0.817

0.889

0.948

22

0.479

0.482

0.490

0.512

0.692

0.833

0.899

0.952

24

0.510

0.513

0.521

0.542

0.714

0.846

0.907

0.956

26

0.538

0.540

0.548

0.569

0.733

0.857

0.914

0.960

28

0.563

0.565

0.572

0.592

0.750

0.866

0.920

0.962

30

0.585

0.587

0.594

0.614

0.765

0.875

0.925

0.965

32

0.605

0.607

0.614

0.633

0.778

0.882

0.929

0.967

34

0.623

0.626

0.632

0.650

0.789

0.889

0.933

0.969

36

0.640

0.642

0.649

0.666

0.800

0.895

0.937

0.971

38

0.655

0.657

0.664

0.681

0.810

0.900

0.940

0.972

40

0.669

0.671

0.678

0.694

0.818

0.905

0.943

0.974

42

0.682

0.684

0.690

0.706

0.826

0.909

0.946

0.975

44

0.694

0.696

0.702

0.718

0.833

0.913

0.948

0.976

46

0.706

0.707

0.713

0.728

0.840

0.917

0.950

0.977

48

0.716

0.718

0.723

0.738

0.846

0.920

0.952

0.978

50

0.726

0.727

0.733

0.747

0.852

0.923

0.954

0.979

52

0.735

0.736

0.742

0.755

0.857

0.926

0.956

0.980

54

0.743

0.745

0.750

0.763

0.862

0.929

0.958

0.980

56

0.751

0.753

0.758

0.771

0.867

0.931

0.959

0.981

58

0.759

0.760

0.765

0.778

0.871

0.933

0.960

0.982

60

0.766

0.767

0.772

0.784

0.875

0.935

0.962

0.982

62

0.772

0.774

0.778

0.791

0.879

0.937

0.963

0.983

64

0.779

0.780

0.784

0.796

0.882

0.939

0.964

0.983

66

0.784

0.786

0.790

0.802

0.886

0.941

0.965

0.984

68

0.790

0.792

0.796

0.807

0.889

0.943

0.966

0.984

70

0.795

0.797

0.801

0.812

0.892

0.944

0.967

0.985

 

 

 

Приложения

 

 

 

357

 

 

 

 

Приложение 1 (продолжение)

АТОМНАЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

МАССА (а.е.м.)

180°

170°

160°

145°

900

60°

45°

30°

72

0.801

0.802

0.806

0.817

0.895

0.946

0.968

0.985

74

0.805

0.807

0.811

0.821

0.897

0.947

0.969

0.986

76

0.810

0.811

0.815

0.826

0.900

0.949

0.970

0.986

78

0.814

0.816

0.819

0.830

0.902

0.950

0.970

0.986

80

0.819

0.820

0.824

0.834

0.905

0.951

0.971

0.987

82

0.823

0.824

0.827

0.837

0.907

0.952

0.972

0.987

84

0.826

0.828

0.831

0.841

0.909

0.953

0.972

0.987

86

0.830

0.831

0.835

0.844

0.911

0.955

0.973

0.988

88

0.834

0.835

0.838

0.847

0.913

0.956

0.974

0.988

90

0.837

0.838

0.842

0.851

0.915

0.957

0.974

0.988

92

0.840

0.841

0.845

0.854

0.917

0.957

0.975

0.988

94

0.843

0.844

0.848

0.856

0.918

0.958

0.975

0.989

96

0.846

0.847

0.851

0.859

0.920

0.959

0.976

0.989

98

0.849

0.850

0.853

0.862

0.922

0.960

0.976

0.989

100

0.852

0.853

0.856

0.864

0.923

0.961

0.977

0.989

102

0.855

0.856

0.859

0.867

0.925

0.962

0.977

0.990

104

0.857

0.858

0.861

0.869

0.926

0.962

0.978

0.990

106

0.860

0.861

0.864

0.872

0.927

0.963

0.978

0.990

108

0.862

0.863

0.866

0.874

0.929

0.964

0.979

0.990

110

0.865

0.866

0.868

0.876

0.930

0.964

0.979

0.990

112

0.867

0.868

0.871

0.878

0.931

0.965

0.979

0.990

114

0.869

0.870

0.873

0.880

0.932

0.966

0.980

0.991

116

0.871

0.872

0.875

0.882

0.933

0.966

0.980

0.991

118

0.873

0.874

0.877

0.884

0.934

0.967

0.980

0.991

120

0.875

0.876

0.879

0.886

0.935

0.967

0.981

0.991

122

0.877

0.878

0.881

0.888

0.937

0.968

0.981

0.991

124

0.879

0.880

0.882

0.889

0.938

0.968

0.981

0.991

126

0.881

0.882

0.884

0.891

0.938

0.969

0.982

0.992

128

0.882

0.883

0.886

0.892

0.939

0.969

0.982

0.992

130

0.884

0.885

0.887

0.894

0.940

0.970

0.982

0.992

132

0.886

0.887

0.889

0.896

0.941

0.970

0.982

0.992

134

0.887

0.888

0.891

0.897

0.942

0.971

0.983

0.992

136

0.889

0.890

0.892

0.898

0.943

0.971

0.983

0.992

138

0.890

0.891

0.894

0.900

0.944

0.971

0.983

0.992

140

0.892

0.893

0.895

0.901

0.944

0.972

0.983

0.992

142

0.893

0.894

0.896

0.903

0.945

0.972

0.984

0.992

144

0.895

0.896

0.898

0.904

0.946

0.973

0.984

0.993

146

0.896

0.897

0.899

0.905

0.947

0.973

0.984

0.993

148

0.898

0.898

0.900

0.906

0.947

0.973

0.984

0.993

150

0.899

0.900

0.902

0.908

0.948

0.974

0.984

0.993

152

0.900

0.901

0.903

0.909

0.949

0.974

0.985

0.993

154

0.901

0.902

0.904

0.910

0.949

0.974

0.985

0.993

156

0.902

0.903

0.905

0.911

0.950

0.975

0.985

0.993

158

0.904

0.904

0.906

0.912

0.951

0.975

0.985

0.993

160

0.905

0.906

0.908

0.913

0.951

0.975

0.985

0.993

162

0.906

0.907

0.909

0.914

0.952

0.976

0.986

0.993

164

0.907

0.908

0.910

0.915

0.952

0.976

0.986

0.993

166

0.908

0.909

0.911

0.916

0.953

0.976

0.986

0.994

168

0.909

0.910

0.912

0.917

0.953

0.976

0.986

0.994

170

0.910

0.911

0.913

0.918

0.954

0.977

0.986

0.994

172

0.911

0.912

0.914

0.919

0.955

0.977

0.986

0.994

358

 

 

Приложения

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 1 (продолжение)

АТОМНАЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

МАССА (а.е.м.)

180v

170

160'

145"

90'

60'

45

30'

174

0.912

0.913

0.915

0.920

0.955

0.977

0.987

0.994

176

0.913

0.914

0.916

0.921

0.956

0.978

0.987

0.994

178

0.914

0.915

0.917

0.921

0.956

0.978

0.987

0.994

180

0.915

0.916

0.917

0.922

0.957

0.978

0.987

0.994

182

0.916

0.916

0.918

0.923

0.957

0.978

0.987

0.994

184

0.917

0.917

0.919

0.924

0.957

0.978

0.987

0.994

186

0.918

0.918

0.920

0.925

0.958

0.979

0.987

0.994

188

0.918

0.919

0.921

0.925

0.958

0.979

0.988

0.994

190

0.919

0.920

0.922

0.926

0.959

0.979

0.988

0.994

192

0.920

0.921

0.922

0.927

0.959

0.979

0.988

0.994

194

0.921

0.921

0.923

0.928

0.960

0.980

0.988

0.994

196

0.922

0.922

0.924

0.928

0.960

0.980

0.988

0.995

198

0.922

0.923

0.925

0.929

0.960

0.980

0.988

0.995

200

0.923

0.924

0.925

0.930

0.961

0.980

0.988

0.995

Кинематический фактор Км определяется уравнением (2.5) для ионов гелия (4Не+), рассеиваемых на атомах с целочисленным значением массы М2• Приведенные значения углов соответствуют углу рассеяния в лабораторной системе координат.

Прило.жения

359

Приложение 2

Поперечные сечения рассеяния Резерфорда атомов гелия (4Не)

с энергией 1 МэВ для различных элементов

 

Атомный Средняя

 

 

da/dQ in 10-24 сm2/стерад

 

 

Элемент

номер

масса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Z2)

(а.е.м.)

179.5

170'

160'

145

90

60

45

30

Вс

4

9.01

0.053

0.055

0.058

0.069

0.297

1.294

3Ю6

18.454

в

5

10.81

О.о97

О.о98

О 104

О. 122

0.482

2.038

6.001'

28.848

с

6

12.0l

0.147

0.150

0.159

0.185

0.704

2.944

8.661

41.550

N

7

14.01

0.214

0.218

0.230

0.266

0.974

4.023

1J.803

56.568

о

8

16.00

0.291

0.297

0.312

0.360

1.285

5.207

15.429

73.89/i

1"'

9

19.00

().384

0.390

0.410

0.471

1.642

6.681

19.542

93.540

Ne

10

20.18

0.478

0.486

0.5 l I

0.586

2.032

8.254

24.131

115.486

11

22.99

0.590

0.599

0.629

о.720

2.471

9.998

29.210

139.749

Mg

12

24.31

0.707

0.718

0.754

0.862

2.945

l l.903

34.767

166.318

AI

13

26.98

0.838

0.85 l

0.893

].()21

3.466

13.979

40.812

195.201

Si

14

28.09

0.974

0.991

1.039

1.187

4.023

16.216

47.335

226.391

р

15

30.97

1.129

1.146

1.201

1.371

4.626

18.623

54.348

259.896

s

16

32.06

1.285

1.306

1 370

1.563

5.267

21.192

61.838

295.707

С1

17

35.45

1.460

l.483

1.555

1.773

5.954

23.933

69.818

333.833

Аг

18

39.95

l.647

1.672

1. 752

1.997

6.685

26.840

78.283

374.272

к

19

39.1()

1.835

1.861

1.951

2.223

7.446

29.904

87.221

417.011

Са

20

40.08

2.033

2.064

2.163

2.465

8.253

33.136

96.646

462.065

Sc

21

44.96

2.249

2.285

2. 394

2.727

9.108

36.542

106.561

509.435

Ti

22

47.90

2.476

2.513

2.633

2.998

10.001

40.110

116.956

559.113

у

23

50.94

2.706

2.751

2.882

3.281

10.935

43.844

127.835

611.101

Cr

24

52.(Ю

2.947

2.997

3.139

3.574

11.909

47.740

139.194

665.397

Mn

25

54.94

3.208

3.255

3.410

3.882

12.926

51.806

151.039

722.()(Jб

Fc

26

55.85

3.469

3.522

3.690

4.200

13.982

56.034

163.365

780.923

Со

27

58.93

3.741

3.802

3.983

4.533

15.082

60.431

176.177

842.153

Ni

28

58.71

4.024

4.089

4.283

4.875

J6.2J9

64.990

189.469

905.690

Cu

29

63.54

4.330

4.392

4.601

5.235

17.404

69.721

203.250

971.543

Zn

30

65.37

4.633

4.702

4.925

5.604

18.627

74.615

217.511

1039.703

Ga

31

69.72

4.947

5.D26

5.264

5.989

19.894

79.677

232.258

1110.176

Ge

32

72.59

5.272

5.358

5.611

6.384

21.201

84.903

247.486

1182.958

As

33

74.92

5.606

5.700

5.970

6.791

22.549

90.294

263.198

1258.051

Se

34

78.96

5.970

6.054

6.340

7.213

23.940

95.853

279.394

1335.455

Br

35

79.91

6.326

б.416

6.720

7.644

25.370

\01.575

296072

1415.167

Kr

36

83.80

6.693

6.791

7.112

8.090

26.843

107.465

з 13.235

1497.192

Rb

37

85.47

7.070

7.175

7.514

8.547

28.357

113.520

330.880

1581.526

Sr

38

87.62

7.457

7.569

7.927

9.017

29.912

119.740

349.009

1668.171

у

39

88.91

7.855

7.974

8.351

9.499

31.508

126.126

367.620

1757.125

Zr

4()

91.22

8.263

8.390

8.786

9.994

33.146

132.679

386.716

1848.391

41

92.91

8.681

8.816

9.232

10.501

34.825

139.397

406.294

1941.967

Соседние файлы в папке тмиэт