Сканирующая туннельная зондовая микроскопия

 

2.2.2.1 Контактный  режим

Кантилевер  непосредственно касается иглой  поверхности образца и  работает на отталкивание от поверхности (Рис. 4).

Рис.4

В идеальных условиях сила воздействия на образец определяется прогибом и жесткостью кантилевера. Во время сканирования регистрируется отклонение зонда по углу при помощи оптической системы из лазера и четырех  секционного зонда (Рис. II).

Контактный режим работы ССМ  можно разделить в  зависимости  от окружающей среды на воздушный  и жидкостной варианты. Воздушный  удобней и проще в работе, однако в жидкостном можно достигнуть меньших  сил взаимодействия кантилевера  с образцом и, следовательно, исследовать более мягкие образцы без разрушения. Кроме того, в жидкостном варианте некоторые объекты могут наблюдаться только в естественной для них среде - это клетки и другие биологические объекты, растворы органики и далее будет рассматриваться работа с воздушным вариантом ССМ.

 

Воздушный контактный ССМ хорошо зарекомендовал себя при исследовании достаточно жестких  объектов, таких как кристаллы  микросхем, наноструктуры, пленки различных  неорганических материалов и многое другое. Вместе с тем с его помощью удается получать достатчно хорошие результаты при исследовании биологических объектов (клеток, вирусов), ЛБ-пленок органических материалов.

 

Силы, действующее мелису кантилевером и  образцом

Здесь будут кратко рассмотрены  силы взаимодействия между кантилевером и образцом. При приближении кантилевера к поверхности образца на него начинает действовать сила Ван-дер-Ваальсового притяжения

 

Рис. 5

Она достаточно дальнодействующая  и заметна с расстояния десятков ангстрем. Затем на расстоянии в  несколько ангстрем начинает действовать сила отталкивания. Во влажном воздухе на поверхности образца присутствует спой воды. Возникают капиллярные силы, дополнительно прижимающие кантилевер к образцу и увеличивающие минимально достижимую силу взаимодействия. На разных образцах и с разными кантилеверами кривая силы может заметно отличаться, Достаточно часто может возникать электростатическое взаимодействие между зондом и образцом. Это может быть как оталкивание, так и притяжение. В случае отталкивания возможна ситуация, когда подвод кантилевера прекращается до касания с образцом. В этом случае можно увеличить силу прижима при повторном подводе, либо оставить прибор на некоторое время (часы) для статического электричества

Ван-дер-Ваальсово притяжение, капиллярные,  электростатические силы, силы отталкивания в области касания иглы с поверхностью образца и силы, действующие на иглу со стороны деформированного кантилевера, в равновесии должны компенсировать друг друга. В месте касания острия иглы с поверхностью возникают заметные деформации как острия иглы, так и образца. Избежать деформаций можно при силах порядка 10^-11 Н, но это возможно лишь при работе в жидкости.

 

 

2.2.2.2 Топография  поверхности (режим постоянной  силы)

Измерение рельефа поверхности  с поддержанием постоянной силы воздействия иглы кантилевера на поверхность образца является основой для измерения локальной жесткости поверхности, локальной вязкости и локальной силы трения.

Рассмотрим подробнее оптическую схему измерения угла отклонения зонда (Рис,11). Излучение полупроводникового лазера с длиной волны 650-б70нм фокусируется объективом в эллиптическое пятно размером ~50 мкм на отражающей поверхности кантилевера. Отраженный луч попадает на четырехсекционный фотодиод. Вертикальное отклонение регистрируется по разностному сигналу (А+С) - (В+D) (Рис. 6). Боковые силы вызывают крутильную деформацию кантилевера отраженный луч смещается в перпендикулярном направлении. Боковое отклонение регистрируется по разностному сигналу (А+В) - (В+D)

(Рис.6)

 

Функциональная схема работы АСМ в режиме поддержания постоянной силы может быть описана следующим образом:

Разностный сигнал с регистрирующей системы усиливается и подается на интегратор. При отклонении от заданного  значения он воспринимается как сигнал ошибки и интегрируется, что обеспечивает правильную отработку системой постоянного смещения пьезодвижителя. Сигнал с интегратора подается на высоковольтный усилитель, а с него на пьезодвижитель, что компенсирует возникшую ошибку. Обратная связь поддерживает сигнал рассогласования вблизи заданного уровня. Напряжение с интегратора подается на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, поскольку необходимо обеспечить разную чувствительность измерительной части прибора при работе с атомарным разрешением и на образцах с грубым рельефом. Затем сигнал подается на аналого-цифровой преобразователь, а оттуда через интерфейсную плату записывается в память компьютера и интерпретируется как рельеф образца. Сила прижима кантилевера к образцу выставляется при начальной юстировке фотодиода. Дополнительный блок установки смещения обеспечивает возможность изменения силы прижима в подведенном положении. При этом обратная связь обеспечивает поддержание разностного сигнала. Дистанционная регулировка силы увеличивает удобство работы с прибором. (При отклонении разностного сигнала от нуля начинают проявляться шумы интенсивности лазера. Поэтому нужно осторожно применять электронную регулировку силы на образцах с малым рельефом, например, при достижении атомарного разрешения

Точность  работы применяемой здесь интегральной обратной связи зависит от петлевого коэффициента усиления. Достижение максимальных скоростей сканирования требует быстрой работы обратной связи. Для увеличения скорости отработки обратной связью сигнала ошибки выгодно ставить максимальный коэффициент петлевого усиления. Но при слишком большом коэффициенте усиления может быть достигнут порог генерации. Работа вблизи порога генерации характеризуется большими переколебаниями и поэтому точность падает. С друюи стороны при слишком малых коэффициентах усиления обратная связь не успевает отслеживать резкие изменения рельефа, что также снижает точность измерений. Поэтому существует оптимальный коэффициент усиления для каждой системы зонд-образец, который обеспечивает максимальную точность работы обратной связи и достоверность данных.

На петлевой коэффициент усиления влияет несколько причин. В зависимости  от применяемого кантилевера при  прочих равных параметрах он может  изменяться в несколько раз. Коэффициент  усиления изменяется обратно пропорционально длине кантилевера, и следовательно, чем кантилевер короче, тем выше коэффициент передачи. Кроме того, коэффициент усиления может заметно изменяться в зависимости от юстировки кантилевера. Оператор может контролировать петлевой коэффициент усиления регулировкой усилителя с изменяемым коэффициентом усиления в интеграторе.

При больших значениях  петлевого усиления генерация возникает  на частотах первого резонанса пьезосканера. Для сканера с полем 11х11 мкм²- примерно 10 кГц, с полем 25Х25 мкм² около 7,5 кГц. Частота генерации зависит от массы образца. Для устранения генерации достаточно уменьшить коэффициент усиления регулируемого усилителя. При этом амплитуда автоколебаний будет уменьшаться без изменения частоты.

При наличии большого трения между образцом и иглой также может возникать другой вид генерации.

Для него характерно, что  при уменьшении коэффициента усиления в петле обратной связи, частота уменьшается без изменения амплитуды, причем может достигать долей герца, но тем не менее генерация всегда присутствует. Избежать этого вида генерации можно уменьшением силы трения за счет уменьшения силы взаимодействия или использованием коротких кантилеверов. При сканировании амплитуда генерации значительно падает, поэтому во многих случаях ее присутствие практически не сказывается на качестве изображения.

На полученном в результате сканирования изображении могут  присутствовать сбои, имеющие вид  отдельных линий в направлении  сканирования, отличающихся по высоте от общего рельефа. Они вызваны тем, что игла цепляется за неровности рельефа и затем проскальзывают по  образцу или тем. что игла частично разрушает образец. Избежать таких сбоев можно подбором направления сканирования, уменьшением силы прижима, уменьшением скорости сканирования. Выбор направления сканирования в различных режимах связан с тем, что кантилевер по-разному ваимодействует с возникающими изменениями рельефа. При сканировании в положительном направлении (+Y) можно считать, что кантилевер движется снизу вверх относительно изображения поверхности на мониторе (на самом деле сканирование осуществляется образцом, который движется в обратном направлении). При этом он наезжает на препятствия пологим склоном иглы и при этом преодолевает их. При таком варианте сканирования сбои - срывы кантилевера возникают реже. Если же он наезжает на препятствия стороной под углом 75, то он значительно чаще цепляется за неровности и чаще возникают сбои на изображении. Вообще, в зависимости от образца необходимо подбирать направление сканирования. В части случаев оказывается выгодным сканировать на +Х или -X, например, при снятии изображения боковых сил. На изображении могут возникать характерные следы связанные с особенностями рельефа в направлении быстрого сканирования, обусловленные конечной скоростью работы обратной связи. Их величина зависит от скорости сканирования, петлевого коэффициента усиления, характера рельефа. Если во время сканирования регистрировать сигнал ошибки обратной связи, то эти отклонения будут хорошо видны. Получившееся изображение содержит практически всю потерянную при снятии топографии информацию. Используя результаты сканирования в режиме топо-графии и в режиме регистрации ошибки обратной связи, можно точнее восстанавливать топографию поверхности.                        

 

2.2.2.3   Режим снятия изображения сил.

Работа АСМ с использованием обратной связи приводит к увеличению уровня шумов, частичной потере информации о топографии поверхности или  ограничению скорости сканирования. В некоторых случаях оказывается полезным использование режима сканирования при котором обратная связь отключается, положение пьезосканера по Z фиксируется, а регистрируемым сигналом становится непосредственно сигнал расcогласования в фотодиоде. Это режим постоянной высоты (Z=соnst). В этом случае сила прижатия кантилевера к поверхности изменяется в процессе сканирования, Однако, если образец достаточно жесткий, получаемое изображение хорошо отражает топографию поверхности. Используя результаты снятия зависимости прогиба кантилевера от расстояния между зондом и образцом, можно пересчитать регистрируемый ток в линейные размеры. Однако нужно помнить, что при больших отклонениях от нулевого положения зависимость разностного сигнала рассогласования от перемещения зонда становится нелинейной. Примерный диапазон линейности зависит от кантилевера: чем короче кантилевер, тем меньше диапазон. Динамика отслеживания поверхности в этом режиме ограничена частотными свойствами кантилевера, а не обратной связи. Резонансные частоты кантилеверов значительно выше характерной частоты обратной связи, которая составляет единицы килогерц. Это дает возможность сканировать с более высокими скороcтями

 

 

 

1.2.2.4   Режим регистрации ошибки обратной  связи.

 

Ошибка обратной связи, возникающая при сканировании в  режиме топографии, содержит дополнительную информацию о топографии. Она может быть использована для более точного восстановления рельефа.

Однако этот режим  можно рассматривать как промежуточный  между режимом постоянной силы и  постоянной высоты, если отрегулировать скорость отработки обратной связи так, чтобы она отслеживала пологие изменения рельефа и не успевала отслеживать крутые. Тогда во время пересечения зондом небольших неоднородностей сканирование будет происходить при почти постоянной длине пьезосканера. В результате на изображении будут слабо проявляться медленные изменения рельефа и с высоким контрастом - резкие. Это может быть полезно для отыскания мелких     неоднородностей на большом поле на фоне крупных пологих особенностей рельефа.

 

1.2.2.5   Измерение боковых сил

Во время сканирования по +Х или -X возникает дополнительная крутильная деформация кантилевера. Она обусловлена моментом сил, действующих на острие иглы. Угол кручения при небольших отклонениях пропорционален боковой силе. Измерительная система микроскопа позволяет регистрировать кручение кантилевера. Луч лазера, отраженный от кантилевера, получает в этом случае дополнительное смещение в боковом направлении (Рис.6). В этом случае регистрируется сигнал (А+В) - (С+D). Для измерения боковых сил АСМ работает в режиме поддержания постоянной силы, т.е. как при снятии топографии.

При движении по плоской поверхности, на которой присутствуют участки  с разным коэффициан-том трения, угол кручения будет изменяться от участка к участку (Рис.7).

Рис.7

 

Это позволяет говорить об измерении  локальной силы трения. Если присутствует рельеф, то такая интерпретация невозможна (Рис, 8).

Рис.8

 Тем не менее, этот вид  измерений позволяет получать  изображения, на которых хорошо видны мелкие особенности рельефа, и облегчать их поиск. В режиме измерения боковых сил легко получать атомарное разрешениена слюде и некоторых других слоистых материалах.

Следует отметить, что при измерении  топографии с атомарным разрешением  получается атомарный рельеф до нескольких ангстрем, тогда как реальный рельеф составляет доли ангстрема. Такая большая величина рельефа объясняется влиянием крутильной деформации кантилевера из-за неидеальности регистрирующей системы - кручения кантилевера воспринимается как его продольный изгиб. Это возникает например даже при очень небольшом угле поворота фотодиода относительно направления движения луча при продольном изгибе кантилевера.

 

2.2.3  Вибрационные и модуляционные  методы измерений

 

На базе различных принципов  зондовой микроскопии были разработаны многочисленные методы получения информации о свойствах поверхности, использующие вибрацию зонда или образца или модуляцию параметра.

Использование вибрации или модуляции  на достаточно высокой частоте позволяет, с одной стороны, регистрировать дифференциальные характеристики, поддерживая постоянные средние значения величин, а с другой стороны - значительно уменьшать величины шумов с частотной зависимостью 1/f(где f - частота) за счет переноса спектра сигнала из области вблизи 0 Гц в область высоких частот.

В числе общих преимуществ отдельных  вибрационных методов можно назвать, во-первых, использование резонансных свойств системы, что позволяет существенно повысить чувствительность по сравнению со статическим измерением, а во-вторых, уменьшение сил взаимодействия, в частности, боковых, между зондом и поверхностью в бесконтактном (полуконтактном) режимах. В СТМ-режиме вибрация образца или иглы позволяет модулировать туннельный зазор и, детектируя изменения туннельного тока, получать сигнал dI/dz, дающий информацию о локальной высоте потенциального барьера для электронов (локальной работе выхода). Модуляция туннельного напряжения u в СТМ - режиме позволяет регистрировать сигнал dI/dz, определяемый локальной спектральной плотностью состояний.

В АСМ режиме вибрация образца и регистрация амплитуды отклика кантилевера дает информацию о локальной жесткости образца. Детектирование амплитуды и/или фазы колебаний кантилевера, возбуждаемого ньезоэлементом, позволяет сканировать в бесконтактном и полуконтактном режиме рельеф поверхности даже таких образцов, которые нельзя исследовать в контактном режиме ввиду того, что они легко деформируются или разрушаются иглой кантилевера. Эти режимы позволяют также использовать кантилеверы с тонкими и очень острыми иглами, которые в контактном режиме сами легко разрушаются.