Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Краткие теоретические сведения

Целью микроскопического исследования твердых тел, в том числе и методами сканирующей зондовой микроскопии, является получение увеличенного изображения поверхности. Идеальный микроскоп позволяет получать истинное изображение поверхности. Любое измерение, в результате которого получается изображение, отличающееся от истинной поверхности образца, является артефактом.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) также не лишена артефактов. Если они непонятны, то исследователь не может правильно интерпретировать получаемые СЗМ данные. Это приводит к множеству нежелательных последствий, таких как неспособность правильно оценивать работу прибора и неправильное использование результатов эксперимента. Если артефакты хорошо изучены и выявлена причина их появления, СЗМ данные могут быть правильно интерпретированы, а полученная информация использована с уверенностью.

Существует много источников СЗМ артефактов. Целью данной лабораторной работы является изучение источников артефактов на СЗМ изображениях и их правильная интерпретация.

Для контролируемого перемещения иглы на сверхмалых расстояниях в СЗМ используются пьезоэлектрические двигатели. Их задача - обеспечить прецизионное механическое сканирование зондом исследуемого образца путем перемещения зонда относительно неподвижного образца или перемещения образца относительно неподвижного зонда.

При работе со сканерами на основе пьезокерамики необходимо принимать во внимание ряд свойств этого материала.

Нелинейность.

Реальная пьезокерамика деформируется нелинейно с приложенным напряжением (рис. 3.1), т.е. удлинение является некоторой функцией от приложенного напряжения:

где l - длина пластины, h - толщина пластины, U - электрическое напряжение, приложенное к электродам, расположенным на гранях пьезопластины, – пьезомодуль материала. Нелинейность обусловлена увеличением пьезомодуля на 10 - 20% с ростом приложенного напряжения.

Рис. 3.1. Нелинейность механической деформации пьезокерамики

В случае получения изображений малых участков поверхности, сравнимых с межатомными расстояниями, этот недостаток не так существенен: во-первых, неидеальность поведения не велика ввиду малости диапазона развертки, а во-вторых, большинство важных геометрических параметров, например длины связей, хорошо известны заранее из результатов измерений другими методами.

Однако при получении изображений более крупных объектов, например структур, изготовленных методами микротехнологии, нелинейные эффекты могут создавать значительные искажения. Нелинейность пьезокерамики приводит к тому, что объекты одинакового размера в начале и в конце сканируемого изображения будут иметь различные размеры.

Ползучесть.

Крип пьезокерамики (creep - ползучесть) проявляется в медленном дрейфе в направлении последних предшествующих перемещений или замедленном во времени механическом смещении после быстрого изменения напряжения. После приложения ступеньки напряжения может наблюдаться также продолжение смещения в виде, изображенном

на рис.3.2. (дребезг пьезокерамики).

Рис.3.2. Ползучесть и дребезг пьезокерамики

Ползучесть пьезокерамики проявляется в искажении начального участка скана при больших площадях и скоростях сканирования, т.е. когда напряжение, приложенное к пьезоматериалу, изменяется достаточно быстро. Ползучесть также приводит к сдвигу особенности на СЗМ изображении в повторных сканах. Влияние ползучести уменьшается при уменьшении скорости сканирования, а также после «тренировки» сканера. На практике, заметив искажения на СЗМ-изображении, связанные с ползучестью, следует через некоторое время остановить сканирование и повторить его заново. После такой «тренировки» искажения на СЗМ-изображении, проявляющиеся, например, в виде загиба вертикальных линий, на повторном кадре, как правило, уменьшаются. Понятно, что ползучесть проявляется при резком смещении сканера в требуемую начальную точку сканирования, поэтому в алгоритмах управления сканером исключают резкие скачки управляющего напряжения и вводят временные задержки, учитывающие ползучесть.

Температурный дрейф.

Случайные изменения температуры, всегда существующие в лаборатории, приводят к изменению длины элементов конструкции и относительному смещению зонда и образца. Например, при изменении температуры на Δ Т = 1 ° Спьезотрубка длиной l = 20 мм с коэффициентом линейного температурного расширения β = 2∙10^-6 К^-1 изменит свою длину Δ l = βl Δ T = 40 Å.

Плавный температурный дрейф вдоль координаты Z в процессе сканирования приводит к наклону плоскости образца на СЗМ-изображении. Изменение же линейных размеров вдоль координат X и Y, приводящее к взаимному сдвигу зонда и образца в плоскости образца, вызывает изменение масштабов изображения. В целом эти искажения похожи на искажения, вызванные ползучестью керамики.

СЗМ зонды

Существует много видов СЗМ зондов, различающихся геометрией. Важно использовать в эксперименте соответствующий зонд для того, чтобы отобразить интересующие особенности на поверхности образца.

Артефакты, связанные с зондом, возникают на СЗМ изображении неизбежно. Взаимодействие между геометрией зонда и поверхностью образца показано на рис.3.3.

Однако знание геометрии зонда позволяет минимизировать это влияние при интерпретации полученных изображений, а также использовать зонды, наиболее подходящие для отображения интересующих особенностей исследуемого образца.

Рис. 3.3. Кажущаяся точка контакта СЗМ зонда с образцом зависит как от геометрии зонда, так и от геометрии отображаемой поверхностной особенности образца

Искажения особенностей типа ступеньки/канавки.

При отображении резких особенностей геометрия зонда очень важна. Зонд с большим радиусом начинает взаимодействовать с поверхностными особенностями задолго до того, как центральная ось зонда достигает особенности. Это можно видеть на примере отображения ступеньки, показанной на рис.3.4, а. После того, как зонд начинает взаимодействовать с особенностью, он очерчивает округленную форму, а не острый край.

Если используется зонд пирамидальной формы, будет казаться, что ступенька имеет угол, равный углу зонда. Таким образом, для отображения этих особенностей, отношение сторон зонда является критичным. Зонды с большим отношением сторон будут вносить наименьшие искажения (рис.3.4, б).

При отображении глубоких особенностей типа канавок это становится еще более важным. Дно этих особенностей может быть отображено только при использовании длинных и тонких зондов. Зонды с малыми отношениями сторон не будут достигать дна этих особенностей, как показано на рис.3.4, в.

Рис.3.4. Искажения особенностей образца при использовании зондов различных геометрических форм

Искажения особенностей типа выпуклости.

При отображении малых выпуклостей на плоской поверхности (например, квантовых точек) заостренность используемого зонда существенно влияет на ширину изображения. Как показано на рис.3.4, г зонд с большим радиусом начинает взаимодействовать с особенностью образца задолго до того, как центральная ось зонда его коснется. Изображение будет значительно шире, чем реальная поверхность образца. При этом высота будет измерена правильно, независимо от геометрии зонда. Зонды для этого типа образцов должны быть острыми, хотя они необязательно должны быть длинными, как при отображении глубоких или резких особенностей.

Загрязнение зонда.

Если кончик СЗМ зонда загрязнен, например, прилипшими осколками с поверхности образца, результирующее изображение будет изменяться, при этом, как правило, происходит размазывание отображаемых деталей.

Разрушение зонда.

Иногда в процессе эксплуатации может происходить частичное разрушение зонда, приводящее, например, к раздвоению кончика зонда (рис.3.5). При использовании такого зонда на получающемся изображении будет наблюдаться сдвоенное изображение каждой особенности на поверхности образца.

Рис.3.5. Раздвоенный кончик зонда

Угол между зондом и образцом.

Если зонд располагается под углом к поверхности образца, отличным от 90°, получающееся изображение будет искаженным. При отображении особенности, которая имеет равные углы с каждой стороны, одна сторона будет казаться более крутой, чем другая, как показано на рисунке 3.4, д.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 Следующая ⇒