Сканирующая зондовая микроскопия - реферат

Содержание

Содержание 1

1. ВВЕДЕНИЕ. 2

2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. 2

2.1 Что такое сканирующая зондовая микроскопия. 2

2.2 Современные способы исследовательских работ 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 рег истрации тока (Z=const). 7

Режим ошибки оборотной связи (FВ-еrrоr). 8

2.2.2 Методики ССМ . 8

2.2.2.1 Контактный режим . 9

Силы, действующие меж кантилевером и прототипом 10

2.2.2.2 Топография поверхности (режим Сканирующая зондовая микроскопия - реферат неизменной 11
силы)

2.2.2.3 Режим снятия изображения сил. 15

2.2.2.4 Режим регистрации ошибки оборотной связи. 16

2.2.2.5 Измерение боковых сил. 16

2.2.3 Вибрационные и модуляционные способы
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 компонент. 24

2.2.5 Схема регистрации отличия кантилевера. 25

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 26

4. ЛИТЕРАТУРА. 27

1.Введение

Сканирующий Зондовый Сканирующая зондовая микроскопия - реферат Микроскоп (СЗМ) - это прибор, дающий возможность исследования параметров поверхностей материалов от микронного до атомарного уровня. В СЗМ существует три метода исследования поверхностей:

· Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)

· Сканирующая силовая микроскопия (ССМ)

· Близкопольная сканирующая микроскопия (БСМ).

СТМ был придуман сотрудниками швейцарского филиала компании IВМ учеными Г.Биннигом и X. Рорером в 1981 г., а Сканирующая зондовая микроскопия - реферат ССМ - Кэлвином Гвэйтом, Гердом Биннигом и Кристофером Гербером, в 1986г. Эти технологии оказались революционными в развитии исследовательских работ параметров 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 употребляется заостренная Сканирующая зондовая микроскопия - реферат проводящая игла с приложенным напряжением смещения меж ней и прототипом; радиус кривизны иглы порядка 3 - 5 нм. При подводе иглы на расстояние около 10А от эталона, электроны из эталона начинают туннелировать через туннельный просвет в иглу (либо напротив, зависимо от знака приложенного напряжения смещения). Туннельный ток употребляется как механизм Сканирующая зондовая микроскопия - реферат для получения картины исследуемой поверхности. Для его появления нужно, чтоб эталон и игла были проводниками или полупроводниками. Для разных режимов сканирования записываемый (т.е. формирующий изображения) сигнал выходит из величины туннельного тока разными способами. На Рис. 1 показана схема туннелирования электрона меж прототипом и зондом и приближении простейшей одномерной модели:



РИС. 1


Величина туннельного Сканирующая зондовая микроскопия - реферат тока может быть оценена по ф-ле:

Z - высота иглы относительно эталона;

U – разность потенциалов энергетических уровней;

Fi- высота потенциального барьера;

Регистрируемой величиной является или величина тока (Если поверхности иглы и эталона являются гидрофобными, а такими их можно сделать, покрыв SiCl2 , то регится вправду величина туннельного тока меж иглой Сканирующая зондовая микроскопия - реферат и прототипом, в случае же гидрофильности поверхностей иглы и эталона на их вероятна адсорбция, тогда и результирующий ток будет состоять из вкладов туннельного и ионного токов.)

,или величина напряжения оборотной связи, поддерживающей неизменный туннельный ток. Из этой формулы видно, что величина It экспоненциально находится в зависимости от величины Сканирующая зондовая микроскопия - реферат туннельного про­межутка и конкретно это свойство позволяет достигнуть настолько высочайшего разрешения туннельной микроскопии.

На величину It оказывают влияние также другие потенциальные, барьеры, которые могут появиться при ис­следовании реальных поверхностей. К примеру, если исследуемая поверхность покрыта какой-нибудь неоднородной пленкой (это может быть слой окислов, адсорбаты Сканирующая зондовая микроскопия - реферат либо специально нанесенная пленка, то схема туннелирования будет смотреться последующим образом



(Рис. 2).

Разумеется, что наличие разных объектов меж зондоми проводящей поверхностью будет значительно оказывать влияние на возможность туннелирования и, соответственно, на величину туннельного тока. Это в неких случаях может мешать получить рельеф проводника а в неких случаях позволяет изучить характеристики Сканирующая зондовая микроскопия - реферат пленок, нанесенных на проводящую подложку СТМ-изображение определяется как рельефом исследуемой поверхности так и ее лектронными качествами. Если исследуется или грязная поверхность, или специально нанесенные объекты на проводящую подложку, то СТМ-изображение определяется не только лишь рельефом исследуемого эталона, да и локальными электрическими качествами поверхности. К примеру, участок проводника, покрытый неэлектропроводной Сканирующая зондовая микроскопия - реферат пленкой, может смотреться на СТМ изображении как провал, хотя по сути, 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 макаром, результаты СТМ-исспедований неоднородных поверхностей нельзя рассматривать как изображения рельефа поверхностей, следует подразумевать Сканирующая зондовая микроскопия - реферат, что на настоящий рельеф вроде бы накладывается карта локальных электрических параметров объекта исследования и эта информация возможно окажется очень полезной.

В приборе предусмотрены дополнительные способности анализа локальных электрических параметров поверхности. Это измерение зависимостей It (Ut ) и I(Z) и сканирование рассредотачивания величин dI/dU и dI/dz по поверхности Сканирующая зондовая микроскопия - реферат эталона. Эти свойства могут дать дополнительную информацию об электрических свойствах поверхности, неоднородностях этих параметров, наличии резонансных уровней туннелирования. Зависимость I(Z) применяется, также, для определения свойства иглы

Сканирующие Зондовые Микроскопы русской компании НТ-МДТ моделей Р4-8РМ-16 и Р4-ЗРМ-18 дают возможность использовать фактически все современные методики измерений, работая Сканирующая зондовая микроскопия - реферат в режимах СТМ, ССМ и БСМ. Выбор методики измерения определяется качествами исследуемого объекта и задачками юзера (см. пункт 2.2).

2.2.Современные способы исследовательских работ СЗМ

2.2.1.Методики СТМ

Методика

Особенности

Стандартная

Получение изображения рельефа (Следует подразумевать, что в режиме СТМ картина рельефа поверхности на самом деле дела определяется критериями появления туннельного тока, величина которого Сканирующая зондовая микроскопия - реферат является функцией не только лишь расстояния, да и электрических параметров поверхности) проводящей поверхности либо картины рассредотачивания туннельного тока при неизменной высоте иглы.

Литография

локальное воздействие на поверхность импульсами напряжения. Служит для конфигурации рельефа, физических и хим параметров проводящих поверхностей либо пленок на поверхности.

Сканирующая Туннельная Спектроскопия (СТС)

измерение вольтамперных черт в Сканирующая зондовая микроскопия - реферат данных точках поверхности либо регистрация рассредотачивания по поверхности величины dI/dU, содержащей информацию о локальной спектральной плотности электрических состояний. Прибор можно запрограммировать на снятие кривых I-U в каждой точке области и из собранных данных получить трехмерную картину электрической структуры области. Все обозначенные способы созданы для зондирования Сканирующая зондовая микроскопия - реферат локальной электрической структуры поверхности с внедрением СТМ

Измерение локальной высоты потенциального барьера

измерение зависимости I(z) туннельного тока от величины туннельного зазора либо регистрация рассредотачивания 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 использована для исследования поверхностей проводников и Сканирующая зондовая микроскопия - реферат тонких пленок (либо маленьких объектов), нанесенных на поверхность проводника. К примеру, это могут быть поверхности великодушных металлов либо графита(НОРG). Они же обычно употребляются и как подложки для нанесения других объектов, исследуемых способами СТМ, Что касается других проводников, то большая часть из их на воздухе не только Сканирующая зондовая микроскопия - реферат лишь покрываются адсорбатами, да и окисляются. Возможность туннелирования электронов через их может быть очень мала (из-за толщины слоя, или из-за его электрических параметров). На таких материалах туннельная микроскопия не позволяет получать неплохого разрешения. К примеру, кремний может исследоваться способами СТМ с атомарным разрешением исключительно в высочайшем Сканирующая зондовая микроскопия - реферат вакууме. Для исследования поверхностей таких веществ при помощи СТМ время от времени могут быть использованы способы пассивирования поверхности.

Что касается исследовательских работ параметров пленок на поверхности проводника то задачку применимости СТМ приходится решать в каждом определенном случае. При этом приобретенные результаты могут зависеть не только лишь от параметров материала, да и Сканирующая зондовая микроскопия - реферат от параметров подложки, и от способа нанесения. К примеру, СТМ удачно применяется для исследовательских работ ЛБ пленок, также неких био объектов (молекул и даже вирусов).

2.2.1.2 Режимы работы СТМ

При работе СТМ, как уже говорилось, измеряется It в процессе сканирования зондом над поверхностью исследуемого эталона. На основании этого сигнала прибор Сканирующая зондовая микроскопия - реферат в разных режимах позволяет получать разные данные.

Режим топографии ( I =соnst)

Более нередко употребляется режим топографии.

В этом режиме ОС поддерживает I=соnst, изменяя высоту иглы Z относительно эталона. К примеру, когда прибор регистрирует повышение туннельного тока, он изменяет напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому сканеру, отдаляя иглу от эталона. При всем Сканирующая зондовая микроскопия - реферат этом выходит изображение некоторой поверхности и рельеф (для однородных поверхностей) соответствует настоящему рельефу поверхности. На изображении высоты будут указаны в единицах длины. В этом режиме характеристики сканирования инсталлируются таким макаром, чтоб It (контролируемый по осциллографу либо но картине рассредотачивания сигнала ошибки оборотной связи) изменялся как можно меньше. Если Сканирующая зондовая микроскопия - реферат туннельный ток поддерживается неизменным в границах нескольких процентов, то расстояние игла-образец будет неизменным с точностью до нескольких сотых толикой ангстрема.

Режим регстрации тока ( Z =const)

Последующий режим: Z=const. При всем этом режиме сканирование осуществляется с выключенной ОС при неизменном Z, приобретенное изображение - это изменение It Сканирующая зондовая микроскопия - реферат зависимо от положения зонда. Игла движется над прототипом, сохраняя неизменное расстояние до его основания (но не до поверхности), при всем этом изменяется туннельный ток. Значения туннельных токов, измеренные в каждой точке поверхности эталона представляют собой набор данных, отображающих топографию по­верхности (в предположении всепостоянства плотности поверхностных состояний). В этом режиме можно Сканирующая зондовая микроскопия - реферат стремительно исследовать, но существует опасность касания иглой поверхности, что может привести к разрушению острия зонда

Режим ошибки оборотной связи (FB-еrror)

Режим ошибки оборотной связи употребляется для регистрации маленьких объектов на неплоской по­верхности. В данном случае характеристики ОС инсталлируются таким макаром, чтоб она успевала выслеживать только огромные пологие Сканирующая зондовая микроскопия - реферат неоднородности рельефа, а изображение формируется конфигурацией туннельного тока на более крутых неоднородностях поверхности, которые "неспешная" ОС не успевает выслеживать. Таким макаром, на СТМ изображении видны эти отличия тока. Таковой режим можно рассматривать как аппаратное дифференцирование рельефа поверхности. В последних 2-ух режимах Z координата изображений выражается в единицах силы Сканирующая зондовая микроскопия - реферат тока. Описанные три режима употребляются зависимо от нрава эталона и критерий опыта.

2.2.2 Методики ССМ

Таблица 2

Методика

Особенности

Стандартная

получение изображения рельефа проводящей и непроводящей поверхно­сти.

Режим измерения Боковых Сил (РБС)

получение изображения рассредотачивания боковых сил и, а именно сил трения на исследуемой поверхности. Измерения в РБС полезны для исследования поверхностного трения, различного из-за Сканирующая зондовая микроскопия - реферат неоднородности материа­ла, также полезны для получения изображений краевых контуров всех поверхностей.

Резонансная мола

отличается наименьшим повреждением поверхности из всех ССМ методик, так как при ее использовании уменьшаются боковые силы (силы трения) меж прототипом и иглой. Таким макаром, резонансная мода по­зволяет изучить мягенькие и желеобразные объекты, которые могут Сканирующая зондовая микроскопия - реферат быть разрушены в обыкновенной ССМ моде из-за присутствия боковых сил. При иных равных критериях работа в резонансной моде позволяет достигать наилучшего разрешения микрорельефа поверхности для просто деформируе­мых объектов.

2.2.2.1 Контактный режим


Кантилевер конкретно касается иглой поверхности эталона и работает на отталкивание от поверхности (Рис. 4).

Рис.4

В Сканирующая зондовая микроскопия - реферат безупречных критериях сила воздействия на эталон определяется прогибом и жесткостью кантилевера. Во время сканирования регится отклонение зонда по углу с помощью оптической системы из лазера и 4 секционного зонда (Рис. II).

Контактный режим работы ССМ можно поделить зависимо от среды на воздушный и жидкостной варианты. Воздушный удобней и проще в работе, но Сканирующая зондовая микроскопия - реферат в жидкостном можно добиться наименьших сил взаимодействия кантилевера с прототипом и, как следует, изучить более мягенькие эталоны без разрушения. Не считая того, в жидкостном варианте некие объекты могут наблюдаться исключительно в естественной для их среде - это клеточки и другие био объекты, смеси органики и дальше будет рассматриваться Сканирующая зондовая микроскопия - реферат работа с воздушным вариантом ССМ.

Воздушный контактный ССМ отлично зарекомендовал себя при исследовании довольно жестких объектов, таких как кристаллы микросхем, наноструктуры, пленки разных неорганических материалов и почти все другое. Вкупе с тем с его помощью удается получать достатчно отличные результаты при исследовании био объектов (клеток, вирусов), ЛБ-пленок органических материалов.

Силы Сканирующая зондовая микроскопия - реферат, действующее мелису кантилевером и прототипом

Тут будут коротко рассмотрены силы взаимодействия меж кантилевером и прототипом. При при­ближении кантилевера к поверхности эталона на него начинает действовать сила Ван-дер-Ваальсового притяжения


Рис. 5

Она довольно дальнодействующая и видна с расстояния 10-ов ангстрем. Потом на расстоянии в несколько ангстрем начинает действовать сила Сканирующая зондовая микроскопия - реферат отталкивания. Во мокроватом воздухе на поверхности эталона находится спой воды. Появляются капиллярные силы, дополнительно при­жимающие кантилевер к эталону и увеличивающие мало достижимую силу взаимодейст­вия. На различных образчиках и с различными кантилеверами кривая силы может приметно отличаться, Довольно нередко может появляться электростатическое взаимодействие меж зондом и прототипом Сканирующая зондовая микроскопия - реферат. Это может быть как оталкивание, так и притяжение. В случае отталкивания вероятна ситуация, когда подвод кантилевера прекращается до касания с прототипом. В данном случае можно прирастить силу прижима при повторном подводе, или бросить прибор на некое время (часы) для статического напряжения

Ван-дер-Ваальсово притяжение, капиллярные, электростатические силы, силы Сканирующая зондовая микроскопия - реферат отталкивания в области касания иглы с поверхностью эталона и силы, действующие на иглу со стороны деформиро­ванного кантилевера, в равновесии должны восполнить друг дружку. В месте касания острия иглы с поверхностью появляются приметные деформации как острия иглы, так и эталона. Избежать деформаций можно при силах порядка 10-11 Н, но Сканирующая зондовая микроскопия - реферат это может быть только при работе в воды.

2.2.2.2 Топография поверхности (режим неизменной силы)

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

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


(Рис.6)

Многофункциональная схема работы АСМ в режиме поддержания неизменной силы может быть описана последующим образом:

Разностный сигнал с регистрирующей системы усиливается и подается на интегратор. При отклонении от данного значения он воспринимается как сигнал ошибки и встраивается, что обеспечивает правильную Сканирующая зондовая микроскопия - реферат отработку системой неизменного смещения пьезодвижителя. Сигнал с интегратора подается на высоковольтный усилитель, а с него на пьезодвижитель, что компенсирует возникшую ошибку. Оборотная связь поддерживает сигнал рассогласования поблизости данного уровня. Напряжение с интегратора подается на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, так как нужно обеспечить разную чувствительность измерительной части прибора при работе с Сканирующая зондовая микроскопия - реферат атомарным разрешением и на образчиках с грубым рельефом. Потом сигнал подается на аналого-цифровой преобразователь, а оттуда через интерфейсную плату записывается в память компьютера и интерпретируется как рельеф эталона. Сила прижима кантилевера к эталону выставляется при исходной юстировке фотодиода. Дополнительный блок установки смещения обеспечивает возможность конфигурации силы прижима в подведенном Сканирующая зондовая микроскопия - реферат положении. При всем этом оборотная связь обеспечивает поддержание разностного сигнала. Дистанционная регулировка силы наращивает удобство работы с прибором. (При отклонении разностного сигнала от нуля начинают проявляться шумы интенсивности лазера. Потому необходимо осторожно использовать электрическую регулировку силы на образчиках с малым рельефом, к примеру, при достижении атомарного разрешения

Точность работы используемой Сканирующая зондовая микроскопия - реферат тут интегральной оборотной связи находится в зависимости от петлевого коэффициента усиления. Достижение наибольших скоростей сканирования просит резвой работы оборотной связи. Для ускорения отработки оборотной связью сигнала ошибки прибыльно ставить наибольший коэффициент петлевого усиления. Но при очень большенном коэффициенте усиления может быть достигнут порог генерации. Работа поблизости порога генерации Сканирующая зондовая микроскопия - реферат характеризуется большенными переколебаниями и потому точность падает. С друюи стороны при очень малых коэффициентах усиления оборотная связь не успевает выслеживать резкие конфигурации релье­фа, что также понижает точность измерений. Потому существует лучший коэффициент усиления для каждой системы зонд-образец, который обеспечивает наивысшую точность работы оборотной связи и Сканирующая зондовая микроскопия - реферат достоверность данных.

На петлевой коэффициент усиления оказывает влияние несколько обстоятельств. Зависимо от используемого кантилевера при иных равных параметрах он может изменяться в пару раз. Коэффициент усиления меняется назад пропорционально длине кантилевера, и как следует, чем кантилевер короче, тем выше коэффициент передачи. Не считая того, коэффициент усиления может приметно изменяться зависимо Сканирующая зондовая микроскопия - реферат от юстировки кантилевера. Оператор может держать под контролем петлевой коэффициент усиления регулировкой усилителя с изменяемым коэффициентом усиления в инте­граторе.

При огромных значениях петлевого усиления генерация появляется на частотах первого резонанса пьезосканера. Для сканера с полем 11х11 мкм2 - приблизительно 10 кГц, с полем 25Х25 мкм2 около 7,5 кГц. Частота генерации Сканирующая зондовая микроскопия - реферат находится в зависимости от массы эталона. Для устранения генерации довольно умень­шить коэффициент усиления регулируемого усилителя. При всем этом амплитуда автоколебаний будет уменьшаться без конфигурации частоты.

При наличии огромного трения меж прототипом и иглой также может появляться другой вид гене­рации.

Для него типично, что при уменьшении коэффициента усиления в Сканирующая зондовая микроскопия - реферат петле оборотной связи, часто­та миниатюризируется без конфигурации амплитуды, при этом может достигать толикой герца, но все же генерация всегда находится. Избежать этого вида генерации можно уменьшением силы трения за счет уменьшения силы взаимодействия либо внедрением маленьких кантилеверов. При сканировании амплитуда генерации существенно падает, потому в почти всех случаях Сканирующая зондовая микроскопия - реферат ее присутствие фактически не сказывается на качестве изображения.

На приобретенном в итоге сканирования изображении могут находиться сбои, имеющие вид отдельных линий в направлении сканирования, отличающихся по высоте от общего рельефа. Они вызваны тем, что игла цепляется за выпуклости рельефа и потом проскальзывают по эталону либо тем. что игла отчасти Сканирующая зондовая микроскопия - реферат разрушает эталон. Избежать таких сбоев можно подбором направления ска­нирования, уменьшением силы прижима, уменьшением скорости сканирования. Выбор направления сканирования в разных режимах связан с тем, что кантилевер по-разному ваимодействует с возникающими переменами рельефа. При сканировании в положительном направлении (+Y) можно считать, что кантилевер движется снизу ввысь относительно Сканирующая зондовая микроскопия - реферат изображения поверхности на мониторе (по сути сканирование осуществляется прототипом, который движется в оборотном направлении). При всем этом он наезжает на препятствия пологим склоном иглы и при всем этом преодолевает их. При таком варианте сканирования сбои - срывы кантилевера появляются пореже. Если же он наезжает на препятствия стороной под углом 75, то он Сканирующая зондовая микроскопия - реферат существенно почаще цепля­ется за выпуклости и почаще появляются сбои на изображении. Вообщем, зависимо от эталона нужно подбирать направление сканирования. В части случаев оказывается прибыльным скани­ровать на +Х либо -X, к примеру, при снятии изображения боковых сил. На изображении могут появляться соответствующие следы связанные с особенностями рельефа Сканирующая зондовая микроскопия - реферат в на­правлении резвого сканирования, обусловленные конечной скоростью работы оборотной связи. Их величина находится в зависимости от скорости сканирования, петлевого коэффициента усиления, нрава рельефа. Если во время сканирования регистрировать сигнал ошибки оборотной связи, то эти от­клонения будут отлично видны. Получившееся изображение содержит фактически всю потерян­ную при снятии топографии информацию Сканирующая зондовая микроскопия - реферат. Используя результаты сканирования в режиме топо-графии и в режиме регистрации ошибки оборотной связи, можно поточнее восстанавливать топогра­фию поверхности.

2.2.2.3 Режим снятия изображения сил.

Работа АСМ с внедрением оборотной связи приводит к повышению уровня шумов, частичной потере инфы о топографии поверхности либо ограничению скорости сканирования. В неко­торых случаях оказывается Сканирующая зондовая микроскопия - реферат полезным внедрение режима сканирования при котором оборотная связь отключается, положение пьезосканера по Z фиксируется, а регистрируемым сигналом стано­вится конкретно сигнал расcогласования в фотодиоде. Это режим неизменной высоты (Z=соnst). В данном случае сила прижатия кантилевера к поверхности меняется в процессе ска­нирования, Но, если эталон довольно жесткий, получаемое Сканирующая зондовая микроскопия - реферат изображение отлично отражает топографию поверхности. Используя результаты снятия зависимости прогиба кантилевера от рас­стояния меж зондом и прототипом, можно перечесть регистрируемый ток в линейные размеры. Но необходимо держать в голове, что при огромных отклонениях от нулевого положения зависимость раз­ностного сигнала рассогласования от перемещения зонда становится нелинейной. Примерный спектр Сканирующая зондовая микроскопия - реферат линейности находится в зависимости от кантилевера: чем короче кантилевер, тем меньше спектр. Динамика отслеживания поверхности в этом режиме ограничена частотными качествами кантиле­вера, а не оборотной связи. Резонансные частоты кантилеверов существенно выше соответствующей час­тоты оборотной связи, которая составляет единицы килогерц. Это дает возможность исследовать с более Сканирующая зондовая микроскопия - реферат высочайшими скороcтями

1.2.2.4 Режим регистрации ошибки оборотной связи.

Ошибка оборотной связи, возникающая при сканировании в режиме топографии, содержит допол­нительную информацию о топографии. Она может быть применена для более четкого восста­новления рельефа.

Но этот режим можно рассматривать как промежный меж режимом неизменной силы и неизменной высоты, если отрегулировать скорость отработки оборотной связи Сканирующая зондовая микроскопия - реферат так, чтоб она от­слеживала пологие конфигурации рельефа и не успевала выслеживать крутые. Тогда во время скрещения зондом маленьких неоднородностей сканирование будет происходить при практически постоян­ной длине пьезосканера. В итоге на изображении будут слабо проявляться неспешные конфигурации рельефа и с высочайшим контрастом - резкие. Это может Сканирующая зондовая микроскопия - реферат быть полезно для отыскания маленьких неоднородностей на большенном поле на фоне больших пологих особенностей рельефа.

1.2.2.5 Измерение боковых сил

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

При Сканирующая зондовая микроскопия - реферат движении по плоской поверхности, на которой находятся участки с различным коэффициан-том трения, угол кручения будет изменяться от участка к участку (Рис.7).


Рис.7

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


Рис.8

Все же, этот вид измерений позволяет получать изо­бражения, на которых отлично Сканирующая зондовая микроскопия - реферат видны маленькие особенности рельефа, и облегчать их поиск. В режиме измерения боковых сил просто получать атомарное разрешениена слюде и неких других слоистых материалах.

Необходимо подчеркнуть, что при измерении топографии с атомарным разрешением выходит атомар­ный рельеф до нескольких ангстрем, тогда как реальный рельеф составляет толики ангстрема. Такая большая величина Сканирующая зондовая микроскопия - реферат рельефа разъясняется воздействием крутильной деформации кантилевера из-за неидеальности регистрирующей системы - кручения кантилевера воспринимается как его продоль­ный извив. Это появляется к примеру даже при очень маленьком угле поворота фотодиода относи­тельно направления движения луча при продольном извиве кантилевера.

2.2.3 Вибрационные и модуляционные способы измерений

На базе разных принципов Сканирующая зондовая микроскопия - реферат зондовой микроскопии были разработаны бессчетные способы получения инфы о свойствах поверхности, использующие вибрацию зонда либо эталона либо модуляцию параметра.

Внедрение вибрации либо модуляции на довольно высочайшей частоте позволяет, с одной сто­роны, регистрировать дифференциальные свойства, поддерживая неизменные средние значения величин, а с другой стороны - существенно уменьшать величины шумов с частотной Сканирующая зондовая микроскопия - реферат зависи­мостью 1/f(где f - частота) за счет переноса диапазона сигнала из области поблизости 0 Гц в область вы­соких частот.

В числе общих преимуществ отдельных вибрационных способов можно именовать, во-1-х, ис­пользование резонансных параметров системы, что позволяет значительно повысить чувствитель­ность по сопоставлению со статическим Сканирующая зондовая микроскопия - реферат измерением, а во-2-х, уменьшение сил взаимодействия, а именно, боковых, меж зондом и поверхностью в бесконтактном (полуконтактном) режимах. В СТМ-режиме вибрация эталона либо иглы позволяет модулировать туннельный зазор и, детек­тируя конфигурации туннельного тока, получать сигнал dI/dz, дающий информацию о локальной вы­соте потенциального барьера для электронов (локальной работе выхода Сканирующая зондовая микроскопия - реферат). Модуляция туннельного напряжения u в СТМ - режиме позволяет регистрировать сигнал dI/dz, определяемый локальной спектральной плотностью состояний.

В АСМ режиме вибрация эталона и регистрация амплитуды отклика кантилевера дает информа­цию о локальной жесткости эталона. Детектирование амплитуды и/либо фазы колебаний кантиле­вера, возбуждаемого ньезоэлементом, позволяет исследовать в Сканирующая зондовая микроскопия - реферат бесконтактном и полуконтактном режиме рельеф поверхности даже таких образцов, которые нельзя изучить в контактном ре­жиме ввиду того, что они просто деформируются либо разрушаются иглой кантилевера. Эти режимы позволяют также использовать кантилеверы с тонкими и очень наточенными иглами, которые в кон­тактном режиме сами просто разрушаются.

1.2.3.1 СТМ-методы

Режим измерения локальной Сканирующая зондовая микроскопия - реферат высоты барьера

В режиме измерения локальной высоты потенциального барьера для туннелирующих элекронов, которую можно с некой натяжкой именовать локальной работой выхода, сигнал модуляции прикладывается к 2-обкладкам пьезотрубки. Оборотная связь в процессе сканирования поддержи­вает низкочастотную составляющую туннельного тока неизменной. При всем этом регится ам­плитуда высокочастотных Сканирующая зондовая микроскопия - реферат колебаний туннельного тока, модуляцией туннельного промежутка из-за вызванных вибраций пьезотрубки.

В приближении простейшей одномерной модели туннелирования электрона через прямоугольный возможный барьер высотой Fi, зависимость туннельного тока I от ширины барьера z выража­ется экспоненциальным множителем


Дифференцированием этого множителя получаем;


и,как следует

т.е. производная туннельного тока по ширине туннельного зазора, нормированная Сканирующая зондовая микроскопия - реферат на сам тун­нельный ток, дает информацию о локальной высоте потенциального барьера. Потому что среднее значение туннельного тока в процессе сканирования поддерживается неизменным, и амплитуда вибрации пьезотрубки не изменяется, то приобретенная в итоге сканирования карти­на рассредотачивания амплитуды колебаний туннельного тока как раз и содержит информацию о рас­пределении величины Сканирующая зондовая микроскопия - реферат Fi , и, как следует, о хим свойствах поверхности. Настоящая ситуация не настолько ординарна, и амплитуда колебаний туннельного тока зависит еще от геометрии поверхности, от состава адсорбатов которые искажают форму потенциального барьера и не считая того, при измерениях на воздухе из-за наличия адсорбатов меж иглой и поверхностью всегда Сканирующая зондовая микроскопия - реферат существует приметная сила отталкивания, т.к. игла должна "продавить" слой адсорбата, до того как появляется приметный туннельный ток.

Это приводит к зависимости результатов измерений от локальной жесткости эталона Так, в мес­тах, где твердость эталона ниже, вибрация приводит в основном к деформации самого об­разца, а не к Сканирующая зондовая микроскопия - реферат деформации адсорбата и изменению туннельного зазора. Амплитуда модуляции тун­нельного тока миниатюризируется, создавая воспоминание относительно пониженной работы выхода.Этот эффект следует учесть при интерпретации результатов.

Режим спектроскопии

В режиме спектроскопии модулируется туннельное напряжение и меж прототипом и иглой, и ре­гистрируется амплитуда отклика туннельного тока на эту модуляцию. При Сканирующая зондовая микроскопия - реферат всем этом неизменная со­ставляющая туннельного напряжения остается постоянной, и оборотная связь поддерживает посто­янное среднее значение туннельного тока. Таким макаром, итог измерения представляет собой производную dI/dU в данной точке вольт-амперной свойства. Так как форма вольт-амперной свойства опрелеляется сначала энергетическим диапазоном больших и поверхностных электрических Сканирующая зондовая микроскопия - реферат состояний иглы и эталона, этот режим и полу­чил заглавие режима спектроскопии.

В режиме спектроскопии, как и в режиме измерения локальной высоты барьера, принципиально, чтоб об­ратная связь успевала с высочайший точностью поддерживать неизменным среднее значение I (если усилитель работает не в логарифмическом режиме), так как на многих образцж изменение Сканирующая зондовая микроскопия - реферат среднего значения I из-за неровностей рельефа может привести к еще огромным отклонениям амплитуды колебаний туннельного тока, чем изменение параметров поверхности.

2.2.3.2 АСМ-методы

К числу вибрационных способов АСМ относятся бесконтактный, полуконтактный режим и режим локальной жесткости.

Бесконтактным режим

Бесконтактный режим обеспечивает измерение Ван-дер-Ваальсовых электрических, магнитных сил Сканирующая зондовая микроскопия - реферат поблизости поверхности, при этом сила взаимодействия может быть очень малой (порядка 10-12 Н), что позволяет изучить очень чувствительные либо почти не связанные с поверхностью объекты, не разрушая, и не сдвигая их.

Вкладыш - держатель кантилевера (Рис.9) содержит пьезокерамическую пластинку, вибрации которой передаются кантилеверу и возбуждают его колебания на требуемой частоте, которая Сканирующая зондовая микроскопия - реферат во всех разновидностях этого способа выбирается в границах 1-го из резонансных пиков на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ).


Рис. 9

Возбуждающий сигнал формируется цифровым синтезатором, содержащим высокостабильный кварцевый генератор, что позволяет поддерживать частоту сигнала с относительной точностью не ужаснее 10-5 -10-6 . Переменная составляющая сигнала с четырехсекционного фотодиода, обусловленная колебаниями кантилевера, усиливается и попадает на вход синхронного Сканирующая зондовая микроскопия - реферат сенсора, который можно сформировывать:

- сигнал, пропорциональный амплитуде основной частоты либо одной из гармоник.

- сигнал сдвига фазы (колебаний кантилевера относительно возбуждающего сигнала.

- или сигнал произведения амплитуды на зт либо соб сдвига фазы. Хоть какой из перечис­ленных сигналов может быть включен в петлю оборотной связи.

Поблизости поверхности Сканирующая зондовая микроскопия - реферат эталона вибрирующий с малой амплитудой кантилевер попадает в неоднородное силовое поле. Наличие градиента силы приводит к частотному сдвигу резонансного пика. Потому в случае возбуждения сигналом фиксированной частоты амплитуда и фаза колебаний кантилевера в неоднородном поле изменяется.

Если оборотная связь в процессе сканирования меняет положение зонда по нормали к эталону поддерживая Сканирующая зондовая микроскопия - реферат амплитуду, или фазу колебаний кантилевера неизменной (режим топографии),то результатом записи сигнала на выходе ОС в процессе сканирования является поверхность неизменного градиента силы.

Можно регистрировать конфигурации амплитуды или фазы колебаний в процессе сканирования, не меняя расстояние меж зондом и основанием эталона (режим неизменной высоты). Вероятен также режим, предусматривающий предварительное Сканирующая зондовая микроскопия - реферат сканирование, топографии в кон­тактном либо полуконтактном режиме, после этого делается повторное сканирование по тому же участку с поддержанием данного удаления зонда от поверхности в каждой точке сканирования с регистрацией амплитуды или фазы. Этот режим позволяет отделить информацию о магнитных и электронных свойствах поверхности от топографических данных , т.к Сканирующая зондовая микроскопия - реферат. Вандер-Ваальсово притяжение кантилевера и поверхности остается фактически постоянным при повторном сканирова­нии, так как расстояние меж зондом и поверхностью не изменяется, и, означает изменение ампли­туды и фазы колебаний вызываются другими дальнодействующими силами - электронными или магнитными.

Мало вероятное расстояние меж иглой кантилевера и поверхностью эталона в бескон­тактном режиме Сканирующая зондовая микроскопия - реферат определяется, с одной стороны, качествами иглы кантилевера и поверхности, а с другой стороны - жесткостью балки кантилевера. Если по мере приближения зонда к поверхности по достижении некого расстояния меж ними окажется, что градиент силы притяжения иглы к эталону превысил твердость балки кантилевера, то кантилевер "прилипнет" к поверхности. По­этому малая рабочая Сканирующая зондовая микроскопия - реферат дистанция должна превосходить это критичное расстояние. Более значимой предпосылкой притяжения являются, обычно, капиллярные эффекты, которые, к тому же, владеют огромным своим гистерезисом Да и в отсутствие капиллярных явлений, к примеру, в случае несмачиваемых поверхностей, эффект "залипания" может наблюдаться из-за электростатических, магнитных и даже Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения Сканирующая зондовая микроскопия - реферат. Потому чем вы те твердость кантилевера тем меньше может быть рабочее расстояние, и тем большего разрешения можно достигнуть (при удалениях, соизмеримых, либо превы-шающих радиус кривизны кантилевера), хотя при всем этом растет и сила взаимодействия. Вероятна также ситуация, когда градиент сил притяжения не превосходит жесткости кантилевера прямо до касания Сканирующая зондовая микроскопия - реферат иглы и поверхности, т.е. прямо до сближения последних атомов зонда и эталона в область отталкивающего потенциала, и, означает, рабочее расстояние может быть сколь угодно малым. Такая ситуация является переходной меж бесконтактным и полуконтактным режимом.

Полуконтактный режим

Соответствующей особенностью полуконтактного режима будет то, что огромную часть периода колебаний кантилевер Сканирующая зондовая микроскопия - реферат не касается поверхности и вообщем относительно слабо ведет взаимодействие с прототипом. И только при сближении иглы с поверхностью прямо до попадания в область отталки­вающего потенциала взаимодействие резко усиливается, и при всем этом соударении кантилевер теряет излишек энергии, скопленный за остальную часть периода. Зависимо от нрава Сканирующая зондовая микроскопия - реферат взаимодействия может изменяться сдвиг фазы основной гармоники колебаний относительно возбуждающего сигнала и амплитуда и фаза высших гармоник. Базисным же эффектом является ограничение амплитуды колебаний на уровне, приблизительно равном расстоянию меж верхушкой иглы в свобод­ном состоянии кантилевера и поверхностью эталона. Т.е., грубо говоря, кантилевер может раста­чиваться только до касания поверхности Сканирующая зондовая микроскопия - реферат эталона и не далее.В полуконтактном режиме, в отличие от бесконтактного, твердость кантилевера может быть меньше, чем наибольший градиент сил притяжения поблизости поверхности. Избавиться же от "залипания" иглы можно методом роста амплитуды колебаний кантилевера до такового значения при котором сила со стороны балки кантилевера, отрывающая иглу Сканирующая зондовая микроскопия - реферат от поверхности, превы­шает притяжение иглы к поверхности. В бесконтактном режиме это нереально, так как там амплитуда должна быть мала по сопоставлению с расстояниями, на которых приметно изменяется градиент сил.

Режим измерения жесткости.

В режиме измерения локальной жесткости сигнал модуляции подается на 2-обкладки пьезотрубки. При всем этом игла кантилевера касается Сканирующая зондовая микроскопия - реферат поверхности, и вибрация эталона передается кантилеверу. Измеряемой величиной является амплитуда колебаний балки кантилевера. Коэффициент передачи колебаний эталона в колебания балки кантилевера пропорционален отношению жесткости систе­мы игла- поверхность в данной точке к жесткости балки. В одном предельном случае полностью гибкого кантилевера с жесткой иглой на жестком образчике, колебания пьезотрубки Сканирующая зондовая микроскопия - реферат вполне пе­редаются опоре. В другом предельном случае очень жесткого кантилеверана гибком либо просто деформируемом образчике и/либо при мягенькой игле колебания трубки приводят только к деформации поверхности и иглы, тогда как опора остается недвижной. Следует держать в голове, что твердость системы игла-образец зависит не только лишь Сканирующая зондовая микроскопия - реферат от модулей Юнга сопри­касающихся поверхностей, да и от их геометрии, а именно, от радиусов кривизны. Большая твердость в области контакта достигается в случае поверхностей равных по величине кривизны, но обратного знака, т.е., в случаев контакта круглого острия иглы с круглой впадиной такого же радиуса.

Потому режим измерения локальной жесткости будет Сканирующая зондовая микроскопия - реферат контрастировать ступени на образчике, демонстрировать маленькие бугорки как области с пониженной жесткостью, даже если они состоят из такого же материала, что и весь эталон.

2.2.4 Схема взаимодействия компонент СЗМ

На (Рис.10) схематично изображены составляющие составляющие присущие СЗМ;

- исследуемый эталон,

- игла ССМ,

- кантилевер ССМ,

- система регистрации отличия кантилевера,

- сканер, чье Сканирующая зондовая микроскопия - реферат перемещение в плоскости задает сканирование, а вертикальное перемещение по оси Z управляется оборотной связью,

- движитель с системой грубого подвода, обеспечивающий подведение эталона к зонду в зону рабочего спектра сканера,

- микропроцессор,

- блок питания,

- рабочая станция.



Рис. 10

2.2.5 Схема регистрации отличия кантилевера

В ССМ компании МДТ применена оптическая схема регистрации отклонений Сканирующая зондовая микроскопия - реферат кантилевера (Рис.11), которая, являясь относительно легкой, позволяет регистрировать суб-ангстремные отличия кантилевера. Источником является полупроводниковый лазер Lyambda=670 нм, Р = 0,9 мВт, луч которого фокусируется на зеркальной поверхности кантилевера в районе острия. Отраженный от кантилевера свет попадает на четырехсекционный фотодиод, усиленный разностный сигнал от которого позволяет определять угловое отклонение кантиклевера с Сканирующая зондовая микроскопия - реферат точностью наименее 0.1нм, что обес­печивает разрешение по вертикали 0.1нм.




situacionnaya-zadacha-k003557.html
situacionnaya-zadacha-k003586.html
situacionnaya-zadacha-k003592.html