Введение
Атомно-силовая микроскопия - это один из методов получения трёхмерного изображения поверхности материала с высоким разрешение вплоть до атомного, который относится к методам зондовой сканирующей микроскопии (Scanning Probe Microscopy - SРМ). Общим у этих методов является наличие зонда (чаще всего это хорошо заостренная игла (остриё) с радиусом при вершине ~10 нм) и сканирующего механизма (сканера), способного перемещать зонд над поверхностью образца в трёх измерениях. Обычно сканер имеет несколько ступеней регулирования положения зонда относительно образца с различной точностью и скоростью. Тонкое сканирование реализуют с точностью в сотые доли нанометра. Все известные в настоящее время методы SРМ можно разбить (весьма условно) на три большие группы: - сканирующая туннельная микроскопия (Scanning Tunneling Microscopy - STM). В этом методе между электропроводящим зондом и образцом прикладывают небольшое напряжение (~ 0,01…10 В) и регистрируют возникающий в зазоре туннельный ток, зависящий от свойств и конфигурации атомов на исследуемой поверхности образца. Именно за создание этого прибора, который стал первым в группе зондовых микроскопов, Герду Биннингу (G. Binning) и Генриху Рореру (H. Rohrer) в 1986 году была присуждена Нобелевская премия; - атомно-силовая микроскопия (Atomic Force Microscopy - AFM). В этом методе регистрируют силы взаимодействия кончика зонда с исследуемой поверхностью. Зонд расположен на конце консольной балки с известной жесткостью, способной упруго изгибаться под действием небольших молекулярных (Ван-дер-Ваальсовых) сил, возникающих между исследуемой поверхностью и вершиной зонда. Величина упругой деформации консоли зависит от рельефа поверхности образца. Атомно-силовой микроскоп был изобретён в 1986 году Гердом Биннингом, Кэлвином Куэйтом (С. Quate) и Кристофером Гербером (Ch. Gerber);
4 - ближнепольная оптическая микроскопия (Scanning Nearfield Optic Microscopy - SNOM). Зондом в этом случае является оптический волновод (световолокно), сужающийся на конце, который обращен к образцу, до диаметра меньше длины волны света. В этих условиях световая волна не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка «вываливается» из его кончика. На другом конце волновода установлены лазер и фотоприемник отраженного от свободного торца света. При малом расстоянии между исследуемой поверхностью и кончиком зонда амплитуда и фаза отраженной световой волны меняются, что и служит сигналом, используемым при построении рельефа поверхности. Следует заметить, что все способы зондовой микроскопии строят изображение исследуемой поверхности на мониторе компьютера при поддержке мощных специализированных программ, фильтрующих, обрабатывающих и корректирующих сигнал с зонда в соответствии с поставленными задачами исследования. Поэтому к полученному трехмерному изображению поверхности необходимо относиться как к условному образу, несущему количественную информацию о физических, химических, топологических и других локальных особенностях поверхности. В лучших модификациях вакуумных зондовых микроскопов достигается атомное разрешение. Зондовыми методами можно исследовать самые разнообразные материалы: проводящие, диэлектрические, биологические и другие без существенного повреждения объекта и трудоемкой подготовки его поверхности. Они могут использоваться для локального определения атомных конфигураций, магнитных, электрических, тепловых, химических и других свойств поверхности. Поэтому сканирующая зондовая микроскопия получила широкое распространение в последние годы.
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) относится к группе высокоразрешающих измерительных методов исследования микроструктуры и топографических особенностей материалов, известной под общим названием сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). В 1981 г. швейцарские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер разработали основные принципы сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), за что оба впоследствии (в 1986 г.) были удостоены Нобелевской премии по физике. СТМ основана на применении туннельного эффекта и заключается в измерении значения туннельного тока, которое экспоненциально зависит от расстояния зонд-образец. Метод СТМ позволяет строить изображения поверхности с латеральным разрешением в несколько ангстрем. В 1982 г. тот же Герд Бинниг совместно с Кельвином Куэйтом и Кристофером Гербером предложили новую модификацию туннельного микроскопа, основанного на измерении сил межатомного взаимодействия и получившего название атомно-силовой микроскоп (АСМ). АСМ, будучи дальнейшим развитием техники СТМ, предоставляет широкие возможности для получения изображений поверхности различных объектов с атомным разрешением в жидкой и воздушной средах, а также в условиях высокого вакуума. В настоящее время к основным областям применения АСМ относятся физические науки, биология и промышленность.
1. Физические принципы работы АСМ
АСМ основана на измерении силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом микроскопа, закрепленного на конце упругой консоли, называемой кантилевером. Сила, действующая на зонд со стороны образца, приводит к изгибу консоли. Регистрируя уровень изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью. Традиционно, под силами взаимодействия подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса. Однако в действительности со стороны поверхности также действуют упругие силы и силы адгезии, магнитные и электростатические силы. В зависимости от характера действующей силы выделяют несколько режимов работы АСМ: контактный, бесконтактный и полуконтактный . Общая схема работы атомно-силового микроскопа представлена на рис. 1. Излучение полупроводникового лазера фокусируется на упругой консоли зондового датчика. Регистрация отраженного излучения выполняется с помощью фоточувствительного элемента - четырехквадрантного фотодиода, который позволяет определять направление и уровень смещения консоли зондового датчика (рис. 2). Перед началом измерений оптическая система микроскопа юстируется таким образом, чтобы отраженное излучение попадало в центр фотоприемника. В этом случае фототоки, снимаемые со всех секций фотодиода, будут иметь одно значение. В процессе измерений, в результате деформации изгиба консоли под действием сил взаимодействия происходит отклонение отраженного луча от начального (центрального) положения. Этот сдвиг вызывает изменение фототока для каждой секции. Изменение фототока называется разностным током и позволяет однозначно характеризовать уровень и направление смещения консоли кантилевера
Фототок, снимаемый с четырех секций четырехквадрантного фотодиода (рис. 1), позволяет сформировать напряжение в цепи обратной связи ОС, которое записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности. С помощью пьезоэлектрического исполнительного элемента ИЭ расстояние между зондом микроскопа и поверхностью исследуемого образца ИО поддерживается на постоянном уровне (необходимо для осуществления силового взаимодействия). В качестве напряжения, подаваемого на ИЭ, используется напряжение в цепи обратной связи.
Контактный режим.
В контактном режиме расстояние между зондом и поверхностью составляет примерно единицы ангстрем, что обеспечивает баланс между отталкиванием Паули и силами Ван-дер-Ваальса . Топографическая карта рельефа поверхности формируется следующим образом. Система обратной связи компенсирует уровень изгиба кантилевера, поддерживая силу взаимодействия между зондом и образцом на постоянном уровне, а управляющее напряжение в петле обратной связи пропорционально изменению рельефа поверхности. При сканировании объекта с перепадами высот в несколько ангстрем применяется режим сканирования при постоянном среднем расстоянии. Изгиб консоли, пропорциональный силе взаимодействия между зондом и образцом, регистрируется для каждой точки поверхности. Полученное таким образом изображение представляет собой картину пространственного распределения силы, действующей на зонд со стороны поверхности.
Применение АСМ в научных исследованиях и промышленном производстве.
Физические науки, как и промышленность, испытывают потребность в создании универсального метода, позволяющего строить изображения поверхностей различных материалов: полимеров, изделий из керамики, металлов, кристаллов и минералов. Высокое разрешение способствует применению АСМ для решения целого ряда подобных задач. В частности, АСМ позволяет строить топографические карты поверхностей различных объектов и исследовать физические свойства целого ряда образцов: пористых материалов, тонких пленок и наноструктур. Наноидентирование. Наноидентирование - один из главных методов измерения и изучения механических свойств материалов (напряжений и деформаций, суммарных напряжений, модуля упругости, коэффициента Пуассона, пластической деформации, механизма разрушения, вязкоупругости и др.). Он заключается в создании на исследуемой поверхности пятна давления с последующим анализом его формы и размеров или построением зависимости положения индентора от кривой нагрузки. Наноидентирование позволяет исследовать различные дискретные события, происходящие на поверхности образца: активацию источника дислокаций, сдвиг начала нестабильности и фазовые трансформации, которые могут возникать в процессе работы . Иными словами, наноидентирование является одним из главных методов для изучения и испытания наноматериалов. Применение зонда АСМ в качестве индентора позволяет сфокусировать нагрузочное давление на значительно меньшей площади, что в свою очередь ведет к увеличению массива данных, необходимых для построения 3Dизображения и определения физических свойств исследуемой поверхности. Исследование морфологии и физических свойств тонких пленок. Одна из главных тенденций современного машино- и приборостроения направлена на создание элементов, обладающих компактными геометрическими размерами. Многие из таких элементов основаны на применении технологии тонкопленочных структур. Толщина пленок лежит в диапазоне от нескольких долей нанометра до нескольких микрометров и в значительной степени определяет их физические свойства. Для производства тонких пленок можно использовать большую часть элементов периодической системы. В настоящее время наибольшее распространение получили пленки на основе металлов и полимеров. Металлические пленки. Тонкие металлические пленки, обладающие рядом уникальных свойств, применяются при изготовлении различных электронных, магнитных и оптических устройств, например барьеров Шотки, монохроматоров и др. Одним из наиболее важных свойств пленок, имеющих толщину несколько десятков нанометров, является их способность без значительных потерь пропускать свет (коэффициент пропускания может составлять до 90 %). Высокий коэффициент пропускания играет важную роль при создании планарных оптических волноводов, которые широко применяются в задачах оптического зондирования. Тонкие металлические пленки могут быть использованы также для создания оптических зеркал с коэффициентом отражения 90…95 % или в качестве верхнего прозрачного покрытия омического контакта для повышения производительности работы ряда оптоэлектронных устройств.
В частности, одним из перспективных направлений применения тонких металлических пленок является создание на их основе солнечных модулей, используемых для генерации электрической энергии. В этом случае металлические пленки служат для создания контактных соединений солнечных батарей. Их получают методом осаждения металла из паровой фазы на стеклянной подложке. Они способны работать в широком диапазоне температур (от -40 до 150 єС) и характеризуются высокой равномерностью распределения заряда в тонкопленочной структуре. Все это свидетельствует о том, что технологии, основанные на применении тонких металлических пленок, обладают значительным потенциалом, а это предъявляет к ним ряд жестких технологических требований. В связи с этим свойства пленок необходимо тщательно контролировать в процессе производства соответствующих устройств. На рис. 3 показаны АСМ изображения поверхности (ее шероховатость) пленки оксида цинка на силиконовой подложке в процессе роста при различных температурах.
Полимерные пленки.
Широкое применение в различных областях промышленности и разделах современной медицины обусловливает необходимость всестороннего исследования свойств полимерных пленок. При создании биомедицинских устройств (коронарные стенты, сосудистые трансплантаты, сердечные клапаны, мешки для крови, искусственные органы и т. д.) для обеспечения их оптимальной интеграции с биологической тканью необходимо осуществлять технологический контроль качества поверхности полученных изделий. Другим важным применением полимерных пленок является использование диэлектриков на основе полимерных композиций для создания миниатюрных высокомощных электронных схем. При их создании к материалам предъявляется ряд требований, соответствующих критериям микроэлектроники: термальная стабильность, низкое влагопоглощение, высокое напряжение пробоя, низкие потери, высокая температура стеклования и низкая шероховатость поверхности. В обоих случаях исследование профиля и физических свойств полимерных пленок является приоритетной задачей, для решения которой используется несколько методов. Однако именно метод АСМ превалирует над остальными, так как обладает рядом достоинств: высоким разрешением, универсальностью, возможностью 3D-визуализации. Применяя АСМ в полуконтактном режиме, удобно проводить морфологический анализ, наблюдать происходящие процессы и строить изображения поверхности с разрешением 1…5 нм. АСМ является универсальным методом для изучения механических свойств полимерных пленок, так как позволяет получить трехмерное изображение, а следовательно, и информацию о пространственном распределении деформации структуры и данные о микрорельефе поверхности. Комбинируя методы оптической микроскопии и АСМ в полуконтактном режиме, можно исследовать морфологическую неустойчивость замкнутых полимерных пленок под воздействием температуры.
2. Изучение поверхностных дефектов материалов
Еще одним применением АСМ является исследование поверхностных дефектов, которые могут существенно влиять на изоляционное покрытие тонких металлических проводов, способствуя их оксидированию и снижению проводимости. К таким дефектам относятся: отверстия, царапины, пористость и наличие выступов. Следует заметить, что речь идет не только об изоляционных покрытиях проводников. На сегодняшний день однослойные или многослойные структуры применяются в целом ряде областей. Диапазон изоляционных покрытий достаточно велик и включает следующие виды покрытий: карбидные, нитридные, покрытия из керамических сплавов, покрытия из металлокерамики, покрытия из метастабильных материалов и т. д. Для диагностики точечных дефектов, локализованных на поверхности твердого тела, АСМ используется в двух режимах: контактном и бесконтактном (в зависимости от материала образца). АСМ позволяет строить топографические карты и карты распределения высот поверхностных дефектов, включающих капли покрытия, микротрещины и т. д. Для моделирования характеристик поверхностных дефектов и построения линий постоянной силы удобно использовать режим частотной и силовой модуляции АСМ, когда топография образца определяется как разность между постоянной высотой сканирования и амплитудой колебаний кантилевера. В целом можно утверждать, что метод АСМ является универсальным и эффективным средством определения поверхностных дефектов.
Единственным недостатком этого метода является малое поле сканирования, существенно ограничивающее производительность измерительной системы. Задача определения поверхностных дефектов является важным этапом технического контроля различных изделий в промышленности. Так, в качестве примера можно привести энергетический сектор, а именно возобновляемые источники энергии. В настоящее время доля альтернативных источников в общем объеме потребляемой энергии составляет от 8 до 10 %, однако к 2020 г. ожидается ее рост до 15…20 %, из которых 10 % будет приходиться на долю солнечной энергетики. К 2050 г. солнечная энергетика сможет обеспечить до 25…30 % мирового производства энергии. Одним из главных источников возобновляемой энергии является фотовольтаика, основанная на использовании солнечных батарей, и в том числе - тонкопленочных солнечных модулей (ТПСМ). Метод АСМ широко используется для анализа качества пленок аморфного кремния и контроля элементных соединений в ТПСМ.