Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Краткие теоретические сведения

Стр 1 из 8Следующая ⇒

Лабораторная работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ПРИНЦИПА РАБОТЫ

СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА

НА ПРИМЕРЕ NTEGRA

Цель работы

Изучение структуры и принципа работы сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) на примере NTEGRA.

Краткие теоретические сведения

Сканирующий зондовый микроскоп – это прибор для изучения свойств поверхности при помощи твердотельных заостренных зондов с разрешением, определяемым параметрами зонда, в процессе их взаимного перемещения по заданным алгоритмам. Любой СЗМ состоит из твердотельного зонда, системы сканирования, обеспечивающей относительное перемещение образца и зонда по трем координатам, системы регистрации отклонения зонда, системы управления сканером.

Принцип работы силового СЗМ заключается в сканировании поверхности образца зондовым датчиком с остроконечным зондом, находящимся во взаимодействии с исследуемой поверхностью. При этом возможны различные варианты – сканирование может осуществляться подвижным зондом при неподвижном образце, подвижным образцом при неподвижном зонде, а также комбинированно, при одновременном перемещении зонда и образца.

В основе сканирования лежит детектирование локального взаимодействия, возникающего между зондом и поверхностью исследуемого образца при их взаимном сближении до расстояния соизмеримых с λ, где λ - характерная длина затухания взаимодействия «зонд-образец».Сканирующая силовая микроскопия в свою очередь подразделяется на атомно-силовую микроскопию (АСМ), магнитно-силовую микроскопию (МСМ), электро-силовую микроскопию (ЭСМ) и другие, в зависимости от вида силового взаимодействия.

Рассмотрим основные блоки и элементы СЗМ и схемы их взаимодействия на примере зондовой нанолаборатории (ЗНЛ) NTEGRA. ЗНЛ NTEGRA – универсальный прибор, предназначенный для измерения с разрешением вплоть до атомного уровня поверхностных характеристик различных объектов.

Общий принцип работы и отдельные блоки принципиальной схемы СЗМ представлены на рисунке 1.1.

Рис. 1.1. Принципиальная схема СЗМ

В СЗМ используются зонды кантилеверного типа. Такой зонд состоит из гибкого кантилевера, острой иглы и подложки. Кантилевер является балкой, один конец которой закреплен, а второй свободен. Острая игла находится на свободном конце кантилевера. Кантилевер закреплен на твердой подложке, которая вставляется в держатель зонда, расположенный на сканере. Острие имеет радиус кривизны менее 10 нм и длину обычно от 3 до 10 мкм. Чем меньше радиус кривизны, тем больше разрешение может быть получено. Важными параметрами кантилевера являются коэффициент упругости, жесткость и резонансная частота. Обычно гибкая часть кантилевера имеет прямоугольную форму, но часто для снижения боковых сил, вызывающих деформацию кручения, консоли кантилевера придают V–образную форму (рис. 1.2, б).

Построчное перемещение (сканирование) иглы кантилевера вдоль поверхности образца осуществляется с помощью пьезосканера. Принцип действия пьезосканера основан на использовании зажатой по периметру металлической мембраны, к поверхности которой приклеена пьезопластинка (рис. 1.3, а). Изменение размеров пьезопластинки под действием управляющего напряжения будет приводить к изгибу мембраны. Расположив такие мембраны по трем перпендикулярным сторонам куба и соединив их центры металлическими направляющими, можно получить 3-координатный сканер (рис. 1.3, б).

а б

Рис. 1.2. Общий вид зондового датчика ЗНЛ NTEGRA для АСМ измерений: 1 - чип, 2 - кантилевер, 3- зонд; а - прямоугольный кантилевер, б - треугольный кантилевер

Под действием приложенных к пьезосканеру напряжений Ux и Uy он изменяет свой размер, обеспечивая тем самым перемещение кантилевера вдоль образца по осям X и Y, под действием напряжения Uz сжимается или растягивается, что позволяет изменять расстояние игла-образец. Электронные системы СЗМ управляют движением сканера по растру.

а б

Рис. 1.3. Принцип действия (а) и конструкция (б) сканера:

1 - пьезоэлемент; 2 - грань куба; 3 - толкатель; 4 - точка соединения толкателей; 5 - стойка

При сканировании в контактном режиме используются два метода регистрации микрорельефа. В первом случае (режим “постоянной силы”) разностный сигнал от фотодиода через цепь обратной связи преобразуется в Uz и подается на пьезосканер. В зависимости от того, выступ или впадина встречаются на пути иглы, пьезотрубка сжимается или растягивается по оси z так, что кантилевер почти не смещается от положения равновесия. Измеряемым сигналом является напряжение Uz, управляющее длиной пьезоэлемента. Такой режим обеспечивает минимальное постоянное давление иглы порядка 10^-9 Н как на выступах, так и в углублениях поверхности и используется при изучении мягких поверхностей или поверхностей с развитым микрорельефом. Во втором случае (режим “постоянной высоты”) обратная связь отключена, поэтому при сканировании длина пьезосканера остается неизменной, и регистрируется непосредственно разностный сигнал с фотодиода, пропорциональный реальному отклонению кантилевера, взаимодействующего с неровностями поверхности.

Такой метод используется преимущественно при исследовании кристаллографических атомно-плоских поверхностей.

Принципиально важным для СЗМ являются методы регистрации положения отклонения кантилевера. При измерении очень малых сил межатомного взаимодействия смещение положения балки кантилевера может составлять всего лишь доли ангстрема. Наиболее распространен метод, основанный на регистрации отклонения сфокусированного луча полупроводникового лазера, отраженного от кончика кантилевера. В микроскопах такого типа отраженный пучок света падает в центр двух или четырехсекционного фотодиода, включенного по дифференциальной схеме. В простейшем случае двухсекционного фотодиода регистрация вертикального отклонения кантилевера представляется в виде разностного сигнала рассогласования от двух окон фотодиода (контактный режим измерения). С помощью четырехсекционного фотодиода можно регистрировать не только вертикальный изгиб, но и тангенсальную составляющую изгиба кантилевера (деформацию кручения), возникающую под действием боковых сил в плоскости образца, например, сил трения, направленных параллельно траектории движения иглы (режим регистрации латеральных сил). Регистрирующая система, состоящая из источника излучения, позиционно-чувствительного фотоприемника и оптической системы показана на рис. 1.4.

Назначение системы обратной связи (ОС): удержание кончика зонда на заданном расстоянии от поверхности сложной топологии и предохранение его от нежелательных контактов с внезапными возвышениями на ней. Сигнал ОС может служить источником информации о точке, над которой находится зонд в данный момент времени.

Рис. 1.4. Регистрирующая система: 1 - лазер, 2 - позиционно-чувствительный фотоприемник, 3 - кантилевер, 4, 5 - линзы,

6 - зеркало

ОС поддерживает значение какого-либо измеряемого параметра постоянным (ток, сила и др.). В процессе сканирования в системе ОС формируется разностный сигнал. Сигнал усиливается и подается в противофазе на исполнительный элемент (ИЭ). В зависимости от режима сканирования ОС обеспечивает нулевое значение разностного сигнала между измеряемым параметром (P) и параметром, задаваемым оператором (P₀). При этом ИЭ приближает или удаляет зонд от поверхности, тем самым обеспечивается ΔP = P – P₀.

Процесс сканирования поверхности в сканирующем зондовом микроскопе имеет сходство с движением электронного луча по экрану в электронно-лучевой трубке телевизора. Зонд движется вдоль линии (строки) сначала в прямом, а потом в обратном направлении (строчная развертка), затем переходит на следующую строку (кадровая развертка). Движение зонда осуществляется с помощью сканера небольшими шагами под действием пилообразных напряжений, формируемых цифроаналоговыми преобразователями. Регистрация информации о рельефе поверхности производится, как правило, на прямом проходе.

12 3 4 5 6 7 8 Следующая ⇒