Сканирующая туннельная зондовая микроскопия

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ  И ИНФОРМАТИКИ

Реферат

Сканирующая туннельная зондовая микроскопия

Выполнил: Студент факультета ТИ, кафедра ТИ-9, Сидоров С.О.

06.06.2013

 

Содержание

Содержание 1

1.ВВЕДЕНИЕ. 2

2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. 2

2.1 Что такое сканирующая  зондовая микроскопия.  2

2.2 Современные методы исследований СЗМ. 5

2.2.1 Методики СТМ. 5

2.2.1.1 Объекты исследования. 6

2.2.1.2 Режимы работы  СТМ. 7

Режим топографии (I=сопst). 7

Режим регистрации тока (Z=const). 7

Режим ошибки обратной связи (FВ-еrrоr). 8

2.2.2 Методики ССМ . 8

2.2.2.1 Контактный режим. 9

Силы, действующие между  кантилевером и образцом 10

2.2.2.2 Топография поверхности (режим  постоянной 11 
силы)

2.2.2.3 Режим снятия изображения сил. 15

2.2.2.4 Режим регистрации ошибки  обратной связи. 16

2.2.2.5 Измерение боковых сил. 16

2.2.3 Вибрационные и модуляционные методы 
      измерений. 17

2.2.3.1 СТМ-методы. 18

Режим измерения локальной  высоты барьера. 18

Режим спектроскопии. 20

2.2.3.2 АСМ-методы: 20

Бесконтактный режим. 20

Полуконтактный режим. 22

Режим измерения жесткости. 23

2.2.4 Схема взаимодействия компонентов. 24

2.2.5 Схема регистрации отклонения кантилевера. 25

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 26

4. ЛИТЕРАТУРА. 27

 

1.Введение

Сканирующий Зондовый Микроскоп (СЗМ) - это прибор, дающий возможность  исследования свойств поверхностей материалов от микронного до атомарного уровня. В СЗМ существует три способа  исследования поверхностей:

• Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)
• Сканирующая силовая микроскопия (ССМ)
• Близкопольная сканирующая микроскопия (БСМ).

СТМ был изобретен  сотрудниками швейцарского филиала  фирмы IВМ учеными Г.Биннигом и X. Рорером в 1981 г., а ССМ - Кэлвином Гвэйтом, Гердом Биннигом и Кристофером Гербером, в 1986г. Эти технологии оказались революционными в развитии исследований свойств поверхностей и в 1985 изобретение СТМ было отмечено присуждением нобелевской премии по физике первооткрывателям - Г. Биннигу и X. Рореру.

 

2.Основная часть

2.1  Что такое  Сканирующая Зондовая Микроскопия

В работе СТМ используется заостренная проводящая игла с приложенным  напряжением смещения между ней  и образцом; радиус кривизны иглы порядка 3 - 5 нм. При подводе иглы на расстояние около 10А от образца, электроны из образца начинают туннелировать через туннельный промежуток в иглу (или наоборот, в зависимости от знака приложенного напряжения смещения). Туннельный ток используется как механизм для получения картины исследуемой поверхности. Для его возникновения необходимо, чтобы образец и игла были проводниками либо полупроводниками. Для различных режимов сканирования записываемый (т.е. формирующий изображения) сигнал получается из величины туннельного тока различными методами. На Рис. 1 показана схема туннелирования электрона между образцом и зондом и приближении простейшей одномерной модели:

 

РИС. 1

Величина  туннельного тока может быть оценена  по ф-ле:

Z - высота иглы  относительно образца;

U – разность потенциалов энергетических уровней;

Fi- высота потенциального барьера; 

Регистрируемой величиной является либо величина тока (Если поверхности иглы и образца являются гидрофобными, а таковыми их можно сделать, покрыв SiCl₂, то регистрируется действительно величина туннельного тока между иглой и образцом, в случае же гидрофильности поверхностей иглы и образца на них возможна адсорбция, и тогда результирующий ток будет состоять из вкладов туннельного и ионного токов.)

,либо величина напряжения  обратной связи, поддерживающей  постоянный туннельный ток. Из  этой формулы видно, что величина I_t экспоненциально зависит от величины туннельного промежутка и именно это свойство позволяет достичь столь высокого разрешения туннельной микроскопии.

На величину I_t влияют также другие потенциальные, барьеры, которые могут возникнуть при исследовании реальных поверхностей. Например, если исследуемая поверхность покрыта какой-либо неоднородной пленкой (это может быть слой окислов, адсорбаты или специально нанесенная пленка, то схема туннелирования будет выглядеть следующим образом

 

(Рис. 2).

Очевидно, что наличие различных объектов между зондоми проводящей поверхностью будет существенно влиять на вероятность туннелирования и, соответственно, на величину туннельного тока. Это в некоторых случаях может мешать получить рельеф проводника а в некоторых случаях позволяет исследовать свойства пленок, нанесенных на проводящую подложку СТМ-изображение определяется как рельефом исследуемой поверхности так и ее лектронными свойствами. Если исследуется либо загрязненная поверхность, либо специально нанесенные объекты на проводящую подложку, то СТМ-изображение определяется не только рельефом исследуемого образца, но и локальными электронными свойствами поверхности. Например, участок проводника, покрытый неэлектропроводной пленкой, может выглядеть на СТМ изображении как провал, хотя на самом деле, это может быть выступ (Рис.3).

 

(Рис. 3).

Также при исследовании атомарно - гладких поверхностей положение  пинов на изображении может не совпадать с положением атомов.

Таким образом, результаты СТМ-исспедований неоднородных поверхностей нельзя рассматривать как изображения рельефа поверхностей, следует иметь в виду, что на истинный рельеф как бы накладывается карта локальных электронных свойств объекта исследования и эта информация может оказаться весьма полезной.

В приборе предусмотрены дополнительные возможности анализа локальных электронных свойств поверхности. Это измерение зависимостей I_t(U_t) и I(Z) и сканирование распределения величин dI/dU и dI/dz по поверхности образца. Эти характеристики могут дать дополнительную информацию об электронных свойствах поверхности, неоднородностях этих свойств, наличии резонансных уровней туннелирования. Зависимость I(Z) применяется, также, для определения качества иглы

Сканирующие Зондовые Микроскопы российской компании НТ-МДТ моделей  Р4-8РМ-16 и Р4-ЗРМ-18 дают возможность использовать практически все современные методики измерений, работая в режимах СТМ, ССМ и БСМ. Выбор методики измерения определяется свойствами исследуемого объекта и задачами пользователя (см. пункт 2.2).

 

2.2.Современные методы исследований СЗМ

2.2.1.Методики  СТМ

Методика	Особенности
Стандартная	Получение изображения  рельефа (Следует иметь в виду, что в режиме СТМ картина рельефа поверхности по сути дела определяется условиями возникновения туннельного тока, величина которого является функцией не только расстояния, но и электронных свойств поверхности) проводящей поверхности или картины распределения туннельного тока при постоянной высоте иглы.
Литография	локальное воздействие  на поверхность импульсами напряжения. Служит для изменения рельефа, физических и химических свойств проводящих поверхностей или пленок на поверхности.
Сканирующая Туннельная Спектроскопия (СТС)	измерение вольтамперных  характеристик в заданных точках поверхности или регистрация  распределения по поверхности величины dI/dU, содержащей информацию о локальной спектральной плотности электронных состояний. Прибор можно запрограммировать на снятие кривых I-U в каждой точке области и из собранных данных получить трехмерную картину электронной структуры области. Все указанные методы предназначены для зондирования локальной электронной структуры поверхности с использованием СТМ
Измерение локальной  высоты потенциального барьера	измерение зависимости I(z) туннельного тока от величины туннельного  зазора или регистрация распределения по поверхности величины dI/dz, содержащей информацию о локальной высоте потенциального барьера (локальной работе выхода электронов)

 

 

 

2.2.1.1   Объекты исследования

Сканирующая туннельная микроскопия может быть применена  для исследования поверхностей проводников и тонких пленок (или небольших объектов), нанесенных на поверхность проводника. Например, это могут быть поверхности благородных металлов или графита(НОРG). Они же обычно используются и как подложки для нанесения других объектов, исследуемых методами СТМ, Что касается остальных проводников, то большинство из них на воздухе не только покрываются адсорбатами, но и окисляются. Вероятность туннелирования электронов сквозь них может быть весьма мала (из-за толщины слоя, либо из-за его электронных свойств). На таких материалах туннельная микроскопия не позволяет получать хорошего разрешения. Например, кремний может исследоваться методами СТМ с атомарным разрешением только в высоком вакууме. Для исследования поверхностей таких веществ с помощью СТМ иногда могут быть применены методы пассивирования поверхности.

Что касается исследований свойств пленок на поверхности проводника то задачу применимости СТМ приходится решать в каждом конкретном случае. Причем полученные результаты могут  зависеть не только от свойств материала, но и от свойств подложки, и от метода нанесения. Например, СТМ успешно применяется для исследований ЛБ пленок, а также некоторых биологических объектов (молекул и даже вирусов).

 

2.2.1.2   Режимы  работы СТМ

При работе СТМ, как уже говорилось, измеряется I_t в процессе сканирования зондом над поверхностью исследуемого образца. На основании этого сигнала прибор в различных режимах позволяет получать различные данные.

 

Режим топографии (I=соnst)

Наиболее часто используется режим топографии.

В этом режиме ОС поддерживает I=соnst, изменяя высоту иглы Z относительно образца. Например, когда прибор регистрирует увеличение туннельного тока, он изменяет напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому  сканеру, отдаляя иглу от образца. При этом получается изображение некой поверхности и рельеф (для однородных поверхностей) соответствует истинному рельефу поверхности. На изображении высоты будут указаны в единицах длины. В этом режиме параметры сканирования устанавливаются таким образом, чтобы I_t(контролируемый по осциллографу или но картине распределения сигнала ошибки обратной связи) изменялся как можно меньше. Если туннельный ток поддерживается постоянным в пределах нескольких процентов, то расстояние игла-образец будет постоянным с точностью до нескольких сотых долей ангстрема.

Режим регстрации тока (Z=const)

Следующий режим: Z=const. При этом режиме сканирование осуществляется с выключенной ОС при постоянном Z, полученное изображение - это изменение I_t в зависимости от положения зонда. Игла движется над образцом, сохраняя постоянное расстояние до его основания (но не до поверхности), при этом меняется туннельный ток. Значения туннельных токов, измеренные в каждой точке поверхности образца представляют собой набор данных, отображающих топографию поверхности (в предположении постоянства плотности поверхностных состояний). В этом режиме можно быстро сканировать, но существует опасность касания иглой поверхности, что может привести к разрушению острия зонда

Режим ошибки обратной связи (FB-еrror)

Режим ошибки обратной связи используется для регистрации мелких объектов на неплоской поверхности. В этом случае параметры ОС устанавливаются таким образом, чтобы она успевала отслеживать только большие пологие неоднородности рельефа, а изображение формируется изменением туннельного тока на более крутых неоднородностях поверхности, которые "медленная" ОС не успевает отслеживать. Таким образом, на СТМ изображении видны эти отклонения тока. Такой режим можно рассматривать как аппаратное дифференцирование рельефа поверхности. В последних двух режимах Z координата изображений выражается в единицах силы тока. Описанные три режима используются в зависимости от характера образца и условий эксперимента.

 

 

2.2.2 Методики ССМ

 

Таблица 2

Методика	Особенности
Стандартная	получение изображения  рельефа проводящей и непроводящей поверхности.
Режим измерения Боковых Сил (РБС)	получение изображения  распределения боковых сил и, в частности сил трения на исследуемой  поверхности. Измерения в РБС  полезны для исследования поверхностного трения, разного из-за неоднородности материала, а также полезны для получения изображений краевых контуров любых поверхностей.
Резонансная мола	отличается минимальным  повреждением поверхности из всех ССМ  методик, потому что при ее использовании уменьшаются боковые силы (силы трения) между образцом и иглой. Таким образом, резонансная мода позволяет исследовать мягкие и желеобразные объекты, которые могут быть разрушены в обычной ССМ моде из-за присутствия боковых сил. При прочих равных условиях работа в резонансной моде позволяет достигать лучшего разрешения микрорельефа поверхности для легко деформируемых объектов.