1 Сканирующая зондовая микроскопия

Получение изображения поверхности и её локальных характеристик с использованием зондового микроскопа. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности образцом и регистрации отклонений кантилевера на фотодиоде, согласно схеме представленной на рисунке 1-2. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением, а так же локальные характеристики образца от используемого типа кантилевера.

Рисунок 1 - Общая схема сканирующего зондового микроскопа. 1- зонд; 2 – образец; 3 – пьезоэлектрические двигатели x, y, z; 4 – генератор напряжения развертки на x, y пьезокерамики; 5 – электронный сенсор; 6 – компаратор; 7 – электронная цепь обратной связи; 8 – компьютер; 9 – изображение z(x,y)

При сканировании перемещается образец с помощью пьезо двигателя в плоскости XY, согласно используемому методу измерения, происходит перемещение образца по Z, в зависимости от регистрируемого изгиба кантилевера. При этом в память компьютера записываются параметры перемещений образца, и отклонений консоли кантилевера, а так же зависимости перемещений образца по оси Z от изгиба кантилевера на ёмкостных датчиках реализующих обратную связь (ОС).

Рисунок 2 – Схема регистрации сигнала в санирующем зондовом микроскопе

Прибор состоит из основания и зафиксированной на нем измерительной головки. На измерительной головке расположены держатель зонда с зондом, лазер и фотодиод. В основании прибора расположены сканер с держателем образца, система подвода образца к зонду и система позиционирования образца.

В микроскопе сканирование осуществляется образцом, в то время как зонд остается неподвижным. Зонд представляет собой острую иглу, расположенную на конце гибкой консоли (кантилевера), закрепленной на основании Типичный радиус кривизны кремниевых игл составляет порядка нескольких нанометров.

Рисунок 3 – Зонд атомно-силового микроскопа	Рисунок 4 – Изображение зонда, микроскопа полученное на СЭМ

Лазер и фотодиод представляют собой оптическую систему регистрации отклонения зонда, которое возникает при сканировании поверхности. В настроенной системе луч лазера, отражаясь от кантилевера, попадает на фотодиод. Настройка системы регистрации производится автоматически, с помощью перемещения держателя зонда и фотодиода шаговыми электродвигателями.

Сканер предназначен для перемещения образца относительно зонда. Перемещение образца осуществляется за счет изменения линейных размеров пьезопакетов при подаче на них напряжения. Для точного контроля перемещения используются емкостные датчики, которые связаны со сканером цепью обратной связи.

Образец фиксируется на подложке клеем или двусторонним скотчем. В свою очередь подложка с образцом механически фиксируется в держателе образца, который присоединен к сканеру. Микроскоп рассчитан на работу с образцами, размер которых не превышает 40х50х15 мм.

Для подвода образца к зонду предусмотрена моторизованная система подвода. Моторизованная система подвода обеспечивает вертикальное перемещение образца на расстояние 18 мм.

Система позиционирования предназначена для позиционирования образца относительно зонда, для приблизительного выбора места сканирования. Она обеспечивает перемещение образца 5х5 мм в плоскости XY. Перемещение осуществляется шаговыми электродвигателями. Управление перемещением осуществляется из программы управления микроскопом.

Получение топографии поверхности методом АСМ

В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью.

Рисунок. 5 – Схематическое изображение зондового датчика АСМ

Качественно работу АСМ можно пояснить на примере сил Ван-дер-Ваальса [32]. Наиболее часто энергию ван-дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, аппроксимируют степенной функцией - потенциалом Леннарда-Джонса:

(4.1)

Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее притяжение, обусловленное, в основном, диполь - дипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях. Параметр r_o – равновесное расстояние между атомами,U₀ - значение энергии в минимуме.

Рисунок 6 – Качественный вид потенциала Леннарда – Джонса

Потенциал Леннарда-Джонса позволяет оценить силу взаимодействия зонда с образцом [33]. Общую энергию системы можно получить, суммируя элементарные взаимодействия для каждого из атомов зонда и образца.

 Рисунок 7 – К расчету энергии взаимодействия зонда и образца

Тогда для энергии взаимодействия получаем:

(4.2)

где и- плотности атомов в материале образца и зонда.

Соответственно сила, действующая на зонд со стороны поверхности, может быть вычислена следующим образом:

(4.3)

В общем случае данная сила имеет как нормальную к поверхности, так и латеральную (лежащую в плоскости поверхности образца) составляющие.

Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный характер, однако основные черты данного взаимодействия сохраняются - зонд АСМ испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях и отталкивание на малых.