Методы атомно-силовой зондовой микроскопии

со стороны образца
(дипольное взаимодействие) бесконтактная АСМ
на малых расстояниях – отталкивание контактная

АСМ
Регистрация сил межатомного взаимодействия между концом зонда и поверхностью образца

Принцип действия АСМ

ULD(r) = –a/rm + b/rn

и образцом, используя параметр взаимодействия зонда и образца с взаимно

однозначной зависимостью от расстояния Р(z)
ОС поддерживает P постоянным P = P0, изменяя напряжение на z-сканере
Сигнал на Z-сканере пропорционален рельефу поверхности
Точность удержания расстояния зонд-поверхность ~ 0,01 Å

СЗМ изображение поверхности
сканирующие элементы изготавливаются из пьезоэлектриков, которые изменяют свои

размеры во внешнем электрическом поле
Одновременно с рельефом можно получать распределения различных свойств поверхности
механических
электрических
магнитных

с помощью специальных зондов – игл с радиусом закругления ~

10 нм
Характерное расстояние между зондом и поверхностью ~ 0,1 ÷ 10 нм
Расстояние между зондом и образцом контролирует система обратной связи

зондом на конце
сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит

к изгибу кантилевера
регистрация величины изгиба D=– F/k закон Гука связывает изгиб кантилевера D, силу взаимодействия F и упругость кантилевера k
контроль силы взаимодействия зонда с поверхностью
Зонд и кантилевер изготавливается методами фотолитографии и травления
кантилевер формируется из тонких слоев Si, SiO2 или Si3N4
один конец жестко закреплен на кремниевом держателе
на другом конце зонд

зонда 10 ÷ 20º
Резонансная частота кантилеверов
контактные 7÷28 кГц
бесконтакные 90÷630 кГц
Сила взаимодействия зонда

с поверхностью F = k ⋅ ΔZ
ΔZ – характеризует изгиб кантилевера
k = 10-3÷10 Н/м коэффициент жесткости кантилевера
Проводящие покрытия для электрических измерений Au, Pt, Cr, W, Mo, Ti, W2C
Ферромагнитные покрытия для магнитных измерений Co, Fe, CoCr, FeCr, CoPt

Зондовые датчики АСМ

50 нм
F = 5  50 нН
k = 0.03 

0.4 Н/м
f = 15  70 кГц

r < 20 нм
F ~ 1 пН
k = 25  100 Н/м
f = 160  420 кГц

Плотность Микротвердость

(E) (ρg) (E/ρ) (GPa) (kg/m3)
Diamond 900–1050 3515 78.4–102
Si3N4 310 3180 19.6
Si 130–188 2330 9–10

попадает в центр четырехсекционного фотодиода

Z-компонент сил притяжения или отталкивания (Fz)
ΔIz=(ΔI1+ΔI2)−(ΔI3+ΔI4)
кручение кантилевера под

действием латеральных компонент сил (FL)
ΔIL=(ΔI1+ΔI4)−(ΔI2+ΔI3)

света опорного и отраженного. Использование дополнительного модулятора позволяет повысить чувствительность

за счет синхронного детектирования

ΔZ = ΔZ0, задаваемый оператором
Напряжение на Z-сканере пропорционально рельефу поверхности

на резкие изменения сигнала ошибки Verr
Интегральная компонента VI – низкочастотный

отклик: крупные детали рельефа, общий наклон
Дифференциальная компонента VD – стабилизация, гашение нежелательных осцилляций

при измерении ступеньки рельефа
Медленная ОС
Быстрая ОС

поверхностью
Силы взаимодействия с образцом уравновешиваются силой упругости кантилевера
Метод постоянной

силы
Система ОС поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера (Fz = const)
Напряжение на z-сканере пропорционально рельефу поверхности

~ несколько Å
Отключенная ОС
Регистрация изгиба кантилевера ΔZ ~ Fz
Полученное изображение

характеризует пространственное распределение Fz

30 мкм
Аморфное
металлическое стекло
9 нм х 8 нм
Атомная решетка MoTe2
Силовое изображение (H=const

контактная мода)

Топография (F=const контактная мода)

сканирования с использованием Метода Постоянной Силы содержит дополнительную информацию относительно

рельефа поверхности. Он может быть использован для более полного воспроизведения рельефа.

Если скорость отработки сигнала рассогласования устанавливается такой, чтобы система была способна отрабатывать относительно гладкие особенности рельефа она не сможет отрабатывать крутые ступеньки. Сигнал рассогласования будет содержать данные о резких шероховатостях. Такой способ отображения может быть полезным для поиска небольших неоднородностей на большом относительно гладком фоне.

области с различными коэффициентами трения
подчеркивает особенности рельефа
возможно использование

одновременно с получением рельефа поверхности

силе. Торсионное закручивание кантилевера измеряется оптической следящей системой микроскопа.

При

сканировании поверхности с участками с различными коэффициентами трения угол скручивания меняется на каждом участке. Это позволяет проводить измерения локальной силы трения. Для того, чтобы различить участки с различными коэффициентами трения и неоднородности рельефа необходимо использовать второй проход в противоположном направлении.

Метод Латеральных Сил имеет важное значение при исследованиях полупроводников, полимеров, пленочных покрытий, запоминающих сред, при изучениях поверхностных загрязнений, химических особенностей и фрикционных характеристик, и т. д…

мкм

мкм

Å
Регистрация амплитуды изгиба кантилевера
измерение пространственного распределения микротвердости
“мягкая”
поверхность
“твердая”
поверхность

сканированием образца в соответствии с Методом Постоянной Силы сканер (или

образец) совершает вертикальные периодические колебания. При этом давление зонда на поверхность образца содержит периодическую (обычно синусоидальную) компоненту. В соответствии с локальной жесткостью образца амплитуда колебаний кантелевера будет изменяться в процессе сканирования. На жестких участках поверхности образца амплитуда будут меньше, а на мягких участках – больше
Отслеживание рельефа поверхности образца проводится с использованием усредненного изгиба кантилевера в системе обратной связи. При известной локальной жесткости можно определить модуль упругости образца.

колебаний находящегося в контакте с образцом атомно-силового кантилевера [1, 2].

Резонансные частоты кантилевера помимо других параметров, зависят от жесткости контакта зонд-образец и радиуса области контакта, которые в свою очередь зависят от модулей Юнга материалов образца и зонда, радиуса закругления кончика зонда, силы прижима зонда, рельефа поверхности. Этот метод позволяет определять модуль Юнга по контактной жесткости с разрешением несколько в десятков нанометров.

В процессе АСАМ измерений образец закреплен на пьезоэлектрическим преобразователе. Он возбуждает акустические колебания в образце, которые приводят к колебаниям поверхности. Колебания поверхности передаются кантилеверу через кончик зонда. Колебания кантилевера регистрируются с помощью четырехсекционного фотодетектора и подаются на синхронный усилитель. Соответствующее устройство может быть использовано для получения акустических изображений – карт распределения амплитуд колебаний кантилевера на фиксированной частоте колебаний вблизи резонанса (АСАМ отображение). АСАМ изображения отображают распределение поверхностной жесткости образца. Это устройство также может быть использовано для определения спектра колебаний кантилевера

расстояния 
модуляционная техника для повышения чувствительности

Уменьшается механическое воздействие зонда на

поверхность

Открываются новые возможности АСМ по исследованию свойств поверхности

нм
кантилевер касается поверхности в нижнем полупериоде колебаний
амплитуда и фаза колебаний

кантилевера зависят от степени взаимодействия зонда с поверхностью в нижней точке колебаний
Формирование изображения
регистрация изменений амплитуды и фазы колебаний кантилевера
система ОС поддерживает постоянной амплитуду колебаний кантилевера
напряжение на z-сканере пропорционально рельефу поверхности
распределению фазового контраста соответствует изменение фазы колебаний кантилевера

Полуконтактная АСМ

работы с «мягкими» образцами
Сильное влияние адсорбционного слоя
Полуконтактная мода
повышает разрешение
«протыкает» адсорбционный

слой

контактная АСМ

бесконтактная АСМ

мкм х 14 мкм
Топография (полуконтактная АСМ)

контраст
Полуконтактная мода

в полуконтактном режиме
2 проход зонд движется на высоте z0=const над образцом

по траектории, соответствующей рельефу
Изменение амплитуды или фазы колебаний кантилевера на 2ом проходе  МСМ изображение

образец)

от  доменной структуры на поверхности образца  толщины ферромагнитного покрытия

зонда  ориентации доменов в зонде
 магнитных качеств зонда
Интерпретация результатов может усложняться в результате переориентации намагниченности  зонда под действием поверхности  поверхности под действием зонда

Выбор материала зонда с высоким коэрцитивным полем и большой магнитной анизотропией
Сканирование при достаточном расстоянии между зондом и поверхностью

Условия стабильности доменной структуры

1.85 мкм
Пермаллоевые капли
МСМ
бк-АСМ

х 30 мкм
2.3 мкм х 2.3 мкм

тонкой пленкой
9 мкм х 9 мкм
MFM
nc-AFM

80 мкм
Магнитные домены в сталях
10 мкм х 10 мкм

чувствительности
механическая модуляция – переменное напряжение на пьезоприводе – механические колебания

кантилевера
электрическая модуляция – переменное напряжение на проводящем зонде
комбинированные методы
Двухпроходная методика
1 проход рельеф поверхности в полуконтактном режиме
2 проход зонд движется на высоте z0=const над образцом по траектории, соответствующей рельефу  изменение силы взаимодействия определяет электрические свойства

Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии

емкостная микроскопия
силовая микроскопия пьезоэлектрического отклика
сканирующая микроскопия нелинейной диэлектрической проницаемости
Двухпроходные электрические

методики
электрическая силовая микроскопия
микроскопия поверхностного потенциала (метод зонда Кельвина)
сканирующая емкостная микроскопия

Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии

и заряженными областями вблизи поверхности образца
Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой

микроскопии

на пьезоэлектрический образец переменного электрического поля и анализе результирующих колебаний

его поверхности под зондом

сегнетоэлектриков
Домены разных знаков отличаются знаком пьезо-коэффициентов
Поверхность над доменами разного знака

будет колебаться в противофазе

Фрактальная лабиринтовая исходная доменная структура германата свинца

при постоянной разности потенциалов
Регистрация локальных изменений резонансной частоты, амплитуды или фазы

колебаний за счет электростатического взаимодействия

Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии

Аморфные биты на DVD-RW диске

Топография

ЭСМ

5 х 5 мкм

ССМ, находящегося в контакте с поверхностью образца [1].
К

зонду прикладывается напряжение смещение и проводятся измерения результирующего тока через образец в зависимости от положения зонда одновременно с получением данных о рельефе по Методу Постоянной Силы.

Как легко показать в предположении постоянного контактного сопротивления зонд-поверхность при заданном смещении величина измеряемого тока пропорциональна локальному сопротивлению исследуемого образца.

Отображение Сопротивления Растекания может быть использовано и при анализе сложных структур, таких, например, как интегральные схемы.

Vdc и измеряется ток в цепи I(x,y)
Строится распределение электрического сопротивления

R(x,y)=Vdc/I(x,y)
“Смешаны” топография и электрические свойства

Топография

СМСР

(SRAM)
ЭСМ
Топография

Vtip – потенциал, создаваемый на зонде:
Отклик на первой гармонике:
Введение обратной

связи F1=0 позволяет измерять поверхностный потенциал Vsurf=Vdc

Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии

осуществляется за счет изменения Vdc при условии F1=0
Строится изображение распределения

Vdc(x,y), соответствующее распределению поверхностного потенциала Vsurf(x,y)

Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии

В реальности подача переменного напряжения на зонд, в случае наличия потенциала на поверхности, приводит к возникновению дипольного взаимодействия и соответственно к механическим колебаниям кантелевера. В когда Vdc(x,y), равно Vsurf(x,y) дипольное взаимодействие минимально и колебания кантелевера минимальны. То есть подборов напряжения обусловлен выбором минимума колебаний.

Исследования распределения потенциала по поверхности может использоваться для исследования участков начального зарождения коррозии

В условиях существующей разницы потенциалов механические колебания зонда приводят к

изменению емкости конденсатора и протеканию тока. Величина тока зависит от разницы потенциалов. Подбирая потенциал в зонда каждой точке можно компенсировать потенциал поверхности, что приводит к исчезновению тока. Таким образом строится карта распределения потенциала по поверхности. В большинстве случав интересуются относительным изменением потенциала поверхности. Чтобы избежать нежелательного влияния поверхностного потенциала зонда используют материалы с постоянным поверхностным потенциалом, например зонд из протравленного Ni/Cr. Калибровка зонда выполняется измерением коррозионного потенциала с обычным референсным электродом который касается электролита покрывающего поверхность исследуемого образца.

поверхности железа с каплей водного раствора NaCl

поверхности двухкомпонентной пленки Ленгмюра-Блоджетта
Метод зонда Кельвина
6 х 6 мкм
Топография

амплитуда сигнала второй гармоники:
Измерение емкости может проводиться непосредственно с помощью

моста. При F2w=const полезным сигналом будет сигнал рассогласования моста подаваемый в систему обратной связи

Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии

n-типа и p-типа.

сдвиг в высокочастотной кривой C-V и dC/dV вдоль оси напряжений.

На рисунке показано, что положительные и отрицательные захваченные заряды вызывают сдвиг кривых C-V и dC/dV влево и вправо соответственно.

вариацию емкости при фиксированном постоянном напряжении. Синхронный усилитель способен обнаружить

изменение амплитуды и фазы в сигнале емкости при одинаковой частоте переменного напряжения AC при заданном постоянном напряжении. Таким образом, выходной сигнал усилителя пропорционален наклону кривой С-V при заданном постоянном напряжении. Поэтому данный сигнал равен дифференциальной емкости (dC/dV). Микроскоп SCM обнаруживает дифференциальную емкость при фиксированном постоянном напряжении и переменном напряжении смещения в тот момент, когда зонд пересекает области с концентрацией носителей зарядов.

носителей заряда
толщиной диэлектрического слоя
геометрией поверхностей образца и зонда
Основное применение SCM
тестирование

полупроводниковых устройств
определение толщины оксидных поверхностных слоев
распределение примеси

Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии

на топографическом изображении изображает серый силиконовый диоксид – слой высотой

70 нм. Яркие круглые и округлые прямоугольные области на рисунке SCM – это зоны сильного легирования ионами As+ энергией 50 кэВ и плотностью 1014 ионов/см2

качестве излучающих частиц Er3+, Yb3+, Eu3+
Использование Родамин В в качастве

излучающего тела
Зависимость интенсивности и частоты излучения CdSe/ZnS квантовых ям от температуры

Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии

Зависимость относительной интенсивности фотолюминисценции родамина В от температуры

Зависимость фотолюменисценции PbF2 наночастиц допированных Er3+, Yb3+ от температуры –
А) спектры, б) отношение интенсивностей линий

излучения и интенсивности от температуры для квантовых точек в системе

CdSe/ZnS

Изображение вольфрамового зонда с приклееной на конце люминисцирующей наночастицей

СТоМ
Лазер на 975 нм –возбуждает фотолюменисценцию. Регистрируются 2 длинны волны

раздельно 520 и 550 нм. Синхронный детектор выделяет частоту задаваемую колебаниями зонда.

Схема узла зонда. Амплитуда колебаний регистрируется фотодиодом по прерыванию лазерного луча. ОС поддерживает частоту колебаний =const

температуры в образце с полоской поликристаллического кремния при протекании тока