Министерство образования и науки

Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)»

«Экспериментальные методы исследования и

метрология»

Курс лекций

для студентов специальностей «Нанотехнология в электронике» и

«Наноматериалы»

автор: Дудников С.А., ассистент кафедры НТЭ

Новочеркасск 2011 г.

1. Классификация методов исследования наноструктур и поверхности твердого тела

Физические методы, наиболее часто используемые в настоящее время для исследования наноструктур и поверхности твердого те­ла, представлены в табл. 1.1. В основу данной таблицы положена группировка методов по способу внешнего воздействия на иссле­дуемый объект и по типу регистрируемого ответного сигнала. Вни­зу таблицы дана расшифровка сокращенных названий перечислен­ных в ней методов.

В качестве внешнего воздействия на исследуемый объект может использоваться электромагнитное излучение с энергией hv, пучки ускоренных до определенной энергии электронов, ионов или ней­тральных атомов, температура, электрические и магнитные поля. Сигнал, регистрируемый прибором и несущий информацию о свой­ствах исследуемого объекта, определяется характером его взаимо­действия с выбранным воздействием и лежащими в его основе фи­зическими явлениями. К таким явлениям можно отнести поглоще­ние и эмиссию электромагнитного (в частности, рентгеновского) излучения, фотоэмиссию, эмиссию оже-электронов и ионов, упру­гое и неупругое рассеяние электронов и ионов, дифракцию рентге­новского излучения и электронов, десорбцию атомов с поверхно­сти, туннелирование электронов через потенциальный барьер меж­ду исследуемым объектом и зондом, а также взаимодействие (маг­нитное, кулоновское, ван-дер-ваальсово) зонда и локального участ­ка поверхности исследуемого объекта.

По способу регистрации ответного сигнала исследуемого объек­та на внешнее воздействие физические методы исследования нано­структур и поверхности твердого тела можно разделить на спектро­скопические методы, в основе которых лежит регистрация энерге­тического спектра поглощенного или испущенного электромагнит­ного излучения (РЭС, РСМА, ПТСРСП, ОСРСП), электронов (РФЭС, УФЭС, ФЭС, РОЭС, ОЭС, ИОЭС, СХПЭЭ, ИКС) или ио­нов (СРМИ, СРБИ, ОРР); микроскопические методы, в которых на­блюдается сформированное определенным образом прямое изображение исследуемого объекта (СТМ ACM. МСМ, ПЭМ, РЭМ, СОЭМ, ПИМ, полевая эмиссионная микроскопия); дифракционные методы, анализирующие дифракционные картины, образующиеся при прохождении или рассеянии на образце излучения или пучка частиц (РСЛ, ДМЭ, ДБЭ, ПЭМ в режиме дифракции); масс-снектрометричсскис методы, в которых регистрируется распреде­ление испущенных частиц по массе (ВИМС, МС с бомбардировкой быстрыми атомами, элсктрошю-зондовая МС, ТПД, ЭСД).

Следует отметить, что один и тот же источник воздействия на исследуемый объект может использоваться в различных методах в зависимости от вида регистрируемого сигнала. Например, при об­лучении образца монохроматическим рентгеновским излучением можно регистрировать картину дифракции рентгеновского излуче­ния на кристаллической решетке образца (метод РСА), спектр по­глощения рентгеновского излучения, прошедшего через образец (методы РАС, ПТСРСП, ОСРСП), спектр испущенного образцом характеристического рентгеновского излучения (РСМА, РЭС), энергетический спектр испущенных образцом фотоэлектронов (РФЭС) и ожс-электронов (РОЭС). Эти спектры несут информацию об элементном и химическом составе образца, его электронной и локальной атомной структуре.

Разные методы позволяют получить различную информацию об исследуемом объекте. Как правило, при анализе наноструктур и поверхности твердого тела наиболее важной является информация об их атомной структуре, элементном составе и электронных свойствах.

Возможности основных методов исследования наноструктур и поверхности с точки зрения получаемой с их помощью информа­ции проиллюстрированы в табл. 1.2. Плюсы означают, что инфор­мацию данного типа можно получить путем стандартного анализа экспериментальных данных. Плюсы в скобках указывают, что экс­периментальные данные несут информацию указанного типа, од­нако ее извлечение либо требует специальной методики анализа полученных данных, либо возможно только для ограниченного на­бора исследуемых объектов. Отметим, что объем и характер ин­формации, получаемой с помощью того или иного метода, может существенно варьироваться.

Таблица 1.1. Основные физические методы исследования наноструктур и поверх­ности, сгруппированные по типам воздействия на исследуемый объект и регистри­руемого сигнала, hv - электромагнитное излучение, е^-, N^+- - пучки ускоренных электронов и ионов.

Т- температура.

Расшифровка сокращенных названий методов:

РСА - рентгеноструктурный (или рентгенодифракционный) анализ

РЭС - рентгеновская эмиссионная спектроскопия

РАС - рентгеновская абсорбционная спектроскопия

ПТСРСП (EXAFS) - протяженная тонкая структура рентгеновского спектра поглощения

ОСРСП (XANES) - околопороговая структура рентгеновского спектра поглощения

РФЭС - рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия = ЭСХА - электронная спектроскопия для химического анализа

УФЭС - ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия

ФЭС - фотоэлектронная спектроскопия

РОЭС - возбуждаемая рентгеновским излучением оже-электронная спектро­скопия

РСМА - рентгеноспектральный микроанализ (энергодисперсионный / с волно­вой дисперсией)

ИФЭС - инверсионная фотоэмиссионная спектроскопия

ОЭС - оже-электронная спектроскопия

СОЭМ - сканирующая оже-электронная микроскопия

ДМЭ - дифракция медленных электронов

ДБЭ - дифракция быстрых электронов

СХПЭЭ - спектроскопия характеристических потерь энергии электронами

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия

РЭМ - растровая электронная микроскопия

ИНС - ионно-нейтрализационная спектроскопия

СРМИ - спектроскопия рассеяния медленных ионов

СРБИ - спектроскопия рассеяния быстрых ионов

ОРР - обратное резерфордовское рассеяние

ВИМС - вторично-ионная масс-спектроскопия

СЗМ - сканирующая зондовая микроскопия

СТМ - сканирующая туннельная микроскопия

СТС - сканирующая туннельная спектроскопия

АСМ — атомно-силовая микроскопия

MCМ магнитно-силовая микроскопия

ПЭМ - полевая эмиссионная микроскопия

ПИМ - полевая ионная микроскопия

ТПД -температурно-программируемая десорбция

Так, метод ДМЭ позволяет определить структуру кристалличе­ской решетки образца, а метод EXAFS чувствителен к локальному атомному окружению; РЭМ используется для исследования морфо­логии объектов с размерами >10 нм, а СТМ и АСМ позволяют на­блюдать отдельные атомы на поверхности твердого тела; метод РСМА используется для определения элементного состава припо­верхностной области образца глубиной в единицы микрометров, а метод СРМИ чувствителен к первому атомному слою поверхности. Кроме того, некоторые методы предъявляют определенные требования к исследуемым образцам. Например, методы СТМ/СТС при­менимы только для проводящих образцов, МСМ - для исследова­ния магнитных материалов, ПЭМ используется для анализа тонких пленок.

Таблица 1.2. Возможности основных методов исследования наноструктур и по­верхности твердого тела с точки зрения типа получаемой информации.

Помимо сокращенных названий методов на русском языке, для справки в табл. 1.2 также приведены названия, используемые в англоязычной литературе.

Необходимо отметить, что табл. 1.1. и 1.2 не охватывают всего спектра экспериментальных физических методов, применяемых при исследовании наноструктур и поверхности твердого тела.