Лекция 3 Зондовые нанотехнологии

(справа) и Г. Рёрер - лауреаты Нобелевской премии 1986 г

радиусом порядка 140 ангстрем 48 атомов железа
Изображение «Загон для

скота»

кобальта, от атома в другом фокусе
Изображение «Шепот атома»
Так на

смену старой технологии получения различных материалов и устройств, которую называют технологией «сверху вниз» (top-down), впервые пришла технология «снизу вверх» (bottom-up).

SPM) — область микроскопии, в которой изображение поверхности объекта формируется

с помощью зонда, сканирующего его поверхность. Изображение получается путем механического перемещения зонда по траектории в виде растра (строка за строкой) и регистрации взаимодействия между зондом и поверхностью как функции его положения (координат).
Атомно-силовая микроскопия, сокр., АСМ (англ. atomic force microscopy или scanning force microscopy сокр., AFM; SFM) — один из методов СЗМ, применяемый для исследования локальных свойств поверхности, в котором анализируют силу взаимодействия иглы (зонда) с поверхностью исследуемого образца в процессе сканирования. АСМ также используется для направленного модифицирования поверхности вещества (материала) на уровне отдельных атомов.
Сканирующая туннельная микроскопия, сокр., СТМ (англ. scanning tunneling microscopy сокр., STM) — один из методов СЗМ, в котором анализируют плотность состояний атомов поверхности с помощью измерения туннельного тока. Предназначен для исследования поверхности проводящих веществ и материалов на атомном уровне и для формирования трехмерного изображения поверхности. Метод является также одной из технологий, позволяющих создавать на поверхности вещества (материала) искусственные наноструктуры путем перемещения отдельных атомов.

зонда, расположенного в непосредственной близости от исследуемой поверхности, и скани-
рующего

механизма, с помощью которого происходит последовательный тестинг поверхности от точки к точке, а затем на мониторе построчно строится изображение.

1 - зонд; 2 - датчик полезного сигнала; 3 - трехкоординатный пьезосканер; 4 - цепи обратной связи; 5 - высоковольтный усилитель; 6 - контроллер; 7 - программное обеспечение для управления всеми узлами микроскопа и обработки сигнала; 8 - персональный компьютер; 9 - рама; 10 - локальное взаимодействие вершины зонда с расположенным под ним участком исследуемой поверхности; 11 - образец; 12 - управляемый двух- или трехкоординатный столик; 13 – оптический микроскоп; 14 — виброзащитный стол

1 — зонд; 2 - локализованное физическое поле; 3 -

атомы на исследуемой поверхности;
4 - сигнал с зонда; сплошные линии - рабочие ходы развертки при сканировании поверхности; пунктирные - обратные нерабочие ходы

в плоскости XY) осуществляется посредством пьезокерамического сканера.
Образец перемещается под

острием зонда от точки к точке по растровой схеме .
Сканер начинает перемещаться вдоль первой линии сканирования и обратно.
Затем он осуществляет перемещение на один шаг в перпендикулярном направлении ко второй линии сканирования, движется вдоль ее и обратно.
Затем снова осуществляет перемещение на один шаг в перпендикулярном направлении к третьей линии и т.д.
АСМ регистрирует данные только при движении зонда в одном направлении, которое называется направлением быстрого сканирования.
Для перемещения сканера по подобной растровой схеме электроника АСМ прикладывает соответствующее напряжение к сегментам пьезотрубки, что вызывает ее изгиб в плоскости, параллельной поверхности образца

собранный на трубчатых пьезоэлементах
Трубчатый пьезосканер

из кристаллических сегнетоэлектриков
Составы: титанат бария, титанат бария –кальция, титанат

–цирконат свинца.
Сегнетоэлектрики – кристаллические диэлектрики (полупроводники), обладающие в определенном диапазоне температур спонтанной поляризацией, которая существенно изменяется под действием внешних воздействий.
Поляризация керамики производится следующим образом. Керамику нагревают выше температуры Кюри (для большинства пьезокерамик эта температура менее 300°С), а затем медленно охлаждают в сильном (порядка 3 кВ/см) электрическом поле.

После остывания пьезокерамика имеет наведенную поляризацию и приобретает способность изменять свои размеры (увеличивать или уменьшать в зависимости от взаимного направления вектора поляризации и вектора внешнего электрического поля).

по оси Y подано напряжение различной полярности изгиб пьезотрубки происходит

вдоль оси Y

а – на все четыре наружных сегмента подано одинаковое напряжение (происходит удлинение или укорочение трубки вдоль оси Z); б – на пару противоположных сегментов по оси Х подано напряжение различной полярности в результате удлинения одной стороны и укорочения другой происходит изгиб пьезотрубки и отклонение ее нижнего конца вдоль оси Х;

на расстояние нескольких ангстрем.
При подаче на иглу относительно образца

небольшого потенциала возникает туннельный ток.
Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла.
Типичные значения 1—1000 пА при расстояниях около 1 Å.
Сканирующий туннельный микроскоп - первый из класса сканирующих зондовых микроскопов; атомно-силовой и сканирующий ближнепольный оптический микроскопы были разработаны позднее.

полная энергия (остающаяся при Т. э. большей частью неизменной) меньше

высоты барьера.

Т. э.— явление существенно квант. природы, невозможное в классической механике

основе принципа работы СТМ лежит эффект туннелирования электронов через узкий

потенциальный барьер между двумя проводниками - зондом и подложкой - во внешнем электрическом поле.
В СТМ зонд подводится к образцу на расстояние порядка 1 нм
При этом образуется потенциальный барьер шириной Δz.

Высота барьера определяется значениями работы выхода электронов из материала зонда Ao и образца At.

с одновременным растяжением и вращением
исходной проволоки;
б - метод разрезания

под острым углом растягиваемой проволоки;
в - острие, полученное методом электрохимического травления;
г - острие, полученное методом косого среза

Туннельная микроскопия

Принципиально важно, чтобы вблизи кончика образовались атомарно-острые выступы.

(Анализирует плотность состояний атомов поверхности с помощью измерения туннельного тока)

масса электрона; Е = eU - его энергия, где е

- заряд электрона; U - приложенное напряжение), то и туннельный ток через зазор экспоненциально сильно зависит от его величины Δz = z1 - z2:

При уменьшении зазора между зондом и образцом до нескольких ангстрем волновые функции электронов, находящихся на кончике острия и в ближайших
к нему атомах исследуемой поверхности, перекрываются, и при подаче небольшого напряжения (0,01... 10 В) на зонд возникает туннельный ток.

Роль барьера играет вакуумированный зазор между зондом и поверхностью.

Так как в области зазора волновая функция электрона спадает по экспоненте

уровня Ферми ρЕF .

Для обычных значений высоты барьера W =

5 эВ (что соответствует величине работы выхода электрона из типичных металлов) туннельный ток падает примерно на порядок величины при увеличении зазора на 0,1 нм.

Столь резкая зависимость и положена в основу работы туннельного микроскопа.

меняющийся туннельный ток; б - неизменный туннельный ток и меняющаяся

(с помощью цепей обратной связи) высота зонда

действия атомно-силовой микроскопии (со всеми ее многочисленными разновидностями) заключается в

измерении сил взаимодействия между зондом и поверхностью.

и средствами обработки АСМ-изображений предназначен для измерения и анализа микро-

и субмикрорельефа поверхностей, объектов микро- и нанометрового размерного диапазона с высоким разрешением.

Области применения АСМ – физика твердого тела, тонкопленочные технологии, нанотехнологии, микро- и нанотрибология, микроэлектроника, оптика, испытательные системы прецизионной механики, магнитной записи, вакуумной техники и др.

АСМ
Микрозонд представляет собой упругую консоль (кантилевер) размером несколько сотен

микрометров с острой иглой на конце.

Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика.

возникающим между кантилевером и поверхностью. Они довольно разнообразны. При разных

расстояниях преобладают те или иные силы.

Во время контакта при деформации поверхности образца кантилевером преобладает сила упругого отталкивания, а соответствующее приближение называется задачей Герца .

На расстояниях кантилевер-образец порядка нескольких десятков ангстрем главным является межмолекулярное взаимодействие, называемое силой Ван-дер-Ваальса

На таких же масшабах в присутствии жидких пленок большое влияние могут оказывать капиллярные силы и адгезия.

При дальнейшем удалении от поверхности преобладающим становится электростатическое взаимодействие

На масштабах порядка тысячи ангстрем преобладают магнитные силы

расстояниях между образцом и кантилевером, можно получить кривую, позволяющую классифицировать

режимы работы атомно-силового микроскопа

различают три метода работы атомно-силового микроскопа:
контактный,
бесконтактный,
"полуконтактный", который является

промежуточным между контактным и бесконтактным.

В контактном методе острие зонда непосредственно соприкасается с поверхностью образца в процессе сканирования.

В бесконтактном методе зонд находится достаточно далеко и не касается поверхности.

Полуконтактный метод подразумевает частичный контакт.

mode
1 - высокочастотный пьезоактуатор вынужденных колебаний кантилевера на собственной частоте;

2 – кантилевер

- лазер; 2 - линза; 3 - световой пучок; 4

- зеркало; 5 - кантилевер; 6 - зонд;
7 - четырехоконный фотоприемник;

Ua, C/j, Uc и Uj — сигналы, вырабатываемые сегментами a,b,c и d фотоприемника соответственно

однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика АСМ.

Действительно, разность токов вида ΔIz= (ΔI1+ ΔI2) - (ΔI3+ ΔI4)
пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца. А комбинация разностных токов вида
ΔIL= (ΔI1+ ΔI4) - (ΔI2+ ΔI3) характеризует изгиб консоли под действием латеральных сил

Если обозначить исходные значения фототока в секциях фотодиода через I01, I02, I03, I04, а через I1, I2, I3, I4 – значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода

электрическое взаимодействие между зондом и образцом.

Рассмотрим систему, состоящую из зондового

датчика, у которого зонд имеет проводящее покрытие, и образца, представляющего собой тонкий слой материала на хорошо проводящей подложке.

Электросиловая микроскопия

разновидностей, но все они используют локализованное электрическое поле между кончиком

зонда и образцом

Для проведения электрических измерений на зонд наносятся проводящие покрытия из различных материалов (Au, Pt, Cr, W, Mo, Ti, W2C и др.).

атомно-силовой микроскопии И. Мартином и К. Викрамасингхом был изобретен магнитно-силовой

микроскоп (MFM-Magnetic Force Microscop), где используются силы магнитного взаимодействия между зондом и поверхностью.
Для того чтобы они возникли, необходимо, чтобы кончик зонда и локальные участки исследуемой поверхности обладали магнитным моментом

В магнитных АСМ датчиках зонды покрываются тонкими
слоями ферромагнитных материалов, таких как Co, Fe, CoCr, FeCr, CoPt и др.

- по пьезоэлектрическому эффекту;
в - по пьезорезистивному эффекту;

1 -

кантилевер; 2 - зонд;
3 — пьезоэлектрический слой; 4 - зеркало

Какой тип СЗМ был ими разработан?
2. Назовите три основных направления

развития СЗМ.
3. Перечислите основные сферы применения СЗМ.
4. Какие методы включает в себя СЗМ?
5. Общие принципы всех методик СЗМ.
5. Силы, действующие между зондом и образцом. Потенциал взаимодействия зонда с образцом
6. Методы работы атомно-силового микроскопа
6. Как происходит сканирование поверхности при помощи СЗМ (АСМ)?
7. Опишите конструкцию современного пьезосканера.
8. Что такое пьезокерамика?
9. Как называется фирма, производящая СЗМ в России.
10. Способы получения зонда в туннельной микроскопии.
11. Принцип работы туннельного сканирующего микроскопа.
12. Две основные моды (режимы) туннельной микроскопии.
14. Принцип действия атомно-силовой микроскопии.
15.Способы регистрации изгиба консоли в АСМ.
16. Из чего и как изготавливают зонды для АСМ? Почему важен малый радиус закругления зонда? Какова его величина в стандартных зондах?
17. На чем основано действие электросиловой микроскопии?
18. Магнитно-силовая зондовая микроскопия.
19. Какие погрешности изображения поверхности существуют в АСМ на границах слоев?
20. При регистрации каких параметров используют кантилеверы как суперчувствительные сенсоры .
21.Приведите примеры использования АСМ в качестве манипуляторов.