Материал: Сканирующая зондовая микроскопия

При взаимодействии с поверхностью образца макроскопическая гибкая консоль (кантилевер) с острой иглой под действием атомных сил может быть изогнута на достаточно большую величину, чтобы быть измеренной с помощью обычных средств. При работе в Контактном методе изгиб кантилевера отражает отталкивающую силу и используется непосредственно, в системе обратной связи или в их комбинации для отображения рельефа поверхности.

Наряду с отображением рельефа в процессе сканирования могут отображаться и другие характеристики исследуемого образца. Если кантилевер с зондом являются проводящими, появляется возможность отображения сопротивления растекания образца. Если сканирование проводится в направлении перпендикулярном продольной оси кантилевера (в латеральном направлении), силы трения вызывают его скручивание. Измеряя это скручивание с помощью четырех секционного фотодетектора можно одновременно с отображением рельефа отображать также и распределение сил трения по поверхности образца.

Рис. 17. АСМ - метод постоянной высоты

Сила отталкивания F действующая на зонд связана с величиной отклонения кантилевера x законом Гука: F = -kx, где k является жесткостью кантилевера. Величина жесткости для различных кантилеверов варьируется от 0.01 до нескольких Н/м. Основным достоинством метода постоянной высоты является высокая скорость сканирования. Она ограничивается практически только резонансными свойствами кантилевера.

К недостаткам метода постоянной высоты относится требование достаточной гладкости поверхности образцов. Достаточно мягкие образы (подобно полимерам, биологическим объектам, ЛБ - пленкам и т.д.) при исследованиях могут разрушаться (процарапываться), поскольку зонд находится в непосредственном механическим контакте с поверхностью. При сканировании относительно мягких образцов с развитой поверхностью сила давления зонда на поверхность варьируется, одновременно неравномерно прогибается и поверхность образца. В результате полученный рельеф поверхности может быть искажен. Возможное наличие существенных капиллярных сил, обусловленных наличием слоя воды, также приводит к ухудшению разрешения.

При использовании АСМ - метода постоянной силы величина изгиба кантилевера поддерживается в процессе сканирования постоянной при помощи системы обратной связи. Таким образом, вертикальные смещения сканера отражают рельеф поверхности исследуемого образца.

Основным достоинством метода постоянной силы является возможность наряду с измерениями рельефа поверхности проводить измерения и других характеристик - сил трения, сопротивления растекания и др.

Рис. 18. АСМ - метод постоянной силы

АСМ - контактный метод рассогласования может рассматриваться как промежуточный между методом постоянной силы и методом постоянной высоты, если коэффициент усиления системы обратной связи (т.е. скорость отработки сигнала рассогласования) устанавливается таким, чтобы система была способна отрабатывать относительно гладкие особенности рельефа и в то же время быть достаточно медленной, чтобы отрабатывать крутые ступеньки. В результате сигнал рассогласования будет плохо отображать гладкие особенности рельефа и с высоким контрастом отображать резкие шероховатости. Такой способ отображения может быть полезным для поиска небольших неоднородностей на большом относительно гладком фоне.

Рис. 19. АСМ - контактный метод рассогласования

АСМ - метод латеральных сил позволяет различать области с различными коэффициентами трения, а также подчеркивать особенности рельефа поверхности. Эти возможности могут быть использованы одновременно с получением рельефа поверхности для более полной характеризации исследуемого образца. При сканировании гладкой поверхности с участками с различными коэффициентами трения угол скручивания меняется на каждом участке. Это позволяет проводить измерения локальной силы трения. Если же поверхность не гладкая, то такая интерпретация затруднена. Для того, чтобы различить участки с различными коэффициентами трения и неоднородности рельефа необходимо использовать второй проход в противоположном направлении. Кроме того измерения латеральных сил позволяют относительно просто достигать атомарного разрешения на слюде и на других слоистых материалах. Метод латеральных сил имеет важное значение при исследовании полупроводников, полимеров, пленочных покрытий, запоминающих сред, при изучениях поверхностных загрязнений, химических особенностей и фрикционных характеристик, а также постоянно растущий ряд новых применений. Физические основы метода латеральных сил заключаются в следующем. При сканировании по методу постоянной силы перпендикулярно продольной оси кантилевера помимо изгиба кантилевера в нормальном направлении происходит также и его торсионный изгиб. Он обусловлен моментом силы действующей на зонд. Для малых отклонений угол закручивания пропорционален поперечной (латеральной) силе. Торсионное закручивание кантилевера измеряется оптической следящей системой микроскопа.

Рис. 20. АСМ - метод латеральных сил

АСМ - отображение сопротивления растекания возможно при использовании проводящего зонда АСМ, находящегося в контакте с поверхностью образца. 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. При постоянном контактном сопротивлении зонд-поверхность при заданном смещении величина тока пропорциональна локальному сопротивлению исследуемого образца. Отображение сопротивления растекания может быть также использовано и при анализе сложных структур, таких как интегральные схемы.

Рис. 21. АСМ - отображение сопротивления растекания.

АСМ - контактная емкостная микроскопия (КЕМ) - в процессе проведения контактной емкостной микроскопии определяется изменение реакции зонда над поверхностью образца при приложении различных напряжений. В результате строится относительная характеристика изменения поверхностной емкости. КЕМ позволяет определять зоны с различной электрической емкостью, такие как зоны различной степени легирования в полупроводнике.

Рис. 22. АСМ - контактная емкостная микроскопия

Кs = Кс· (Dz/D - 1)

Рис. 23. АСМ - метод модуляции силы

В свою очередь при известной локальной жесткости можно определить модуль упругости образца. Это может быть сделано с использованием калибровочных измерений или с использованием модели Герца. Методы модуляции силы широко используется при исследованиях полимеров, полупроводников, биообъектов, в особенности при исследованиях композитов.

АСМ - полуконтактные методы основаны на использование колеблющегося кантилевера в Сканирующей Силовой Микроскопии впервые было предложено Биннигом. Он показал влияние градиентов сил на сдвиг резонансной частоты кантилевера и возможность бесконтактного сканирования поверхности образца. Была найдена возможность сканирования поверхности образца не только в притягивающих, но и в отталкивающих силах. Относительно слабый сдвиг частоты колебаний под влиянием отталкивающих сил означает, что контакт зонда с поверхностью образца в процессе колебаний не является постоянным. Только в течение короткой части периода колебаний зонд «ощущает» контактные отталкивающие силы. Особенно это касается колебаний с большой амплитудой. Сканирование поверхности образца с колеблющимся таким образом кантилевером является не бесконтактным, а скорее прерывисто-контактным. Соответствующий метод сканирующей силовой микроскопии (Прерывисто-контактный или "Полуконтактный" метод) довольно часто используется на практике.

Рис. 24. АСМ - полуконтактные методы

Полуконтактный метод обладает определенными преимуществами по сравнению контактными методами. Прежде всего, при использовании этого метода давление кантилевера на поверхность образца существенно меньше, что позволяет работать с более мягкими и легко разрушающимися материалами, такими как полимеры и биоматериалы. "Полуконтактный" метод также более чувствителен к различным взаимодействиям с поверхностью, что дает возможность определить ряд характеристик поверхности - распределение вязкости и упругости, электрических и магнитных доменов

АСМ - метод отображения фазы - когда в процессе колебаний кончик зонда касается поверхности образца, он испытывает не только отталкивающие, но и адгезионные, капиллярные и ряд других сил. В результате взаимодействия зонда с поверхностью образца происходит сдвиг фазы колебаний. Если поверхность образца является неоднородной по своим свойствам, соответствующим будет и фазовый сдвиг. Распределение фазового сдвига по поверхности будет отражать распределение характеристик материала образца. Позволяет получать информацию в широкой области применений: для исследований биологических объектов, образцов с магнитными и электрическими характеристиками, и др.

Рис. 25. Метод отображения фазы

Широко используемый прерывисто-контактный ("полуконтактный"). Метод обладает определенными недостатками, связанными с использованием системы обратной связи. Скорость сканирования в "полуконтактном" методе ограничивается временем срабатывания обратной связи. Однако, в результате правильного подбора коэффициента усиления обратной связи этот недостаток может быть устранен. Также возможна настройка для оптимального отображения пологих и незначительных изменений рельефа.

Рис. 26. АСМ - полуконтактный метод рассогласования

АСМ - бесконтактные методы - Бесконтактная ССМ (БК ССМ), предложенная в 1987 г., обладает уникальными возможностями по сравнению другими методами зондовой микроскопии, такими как Контактная ССМ и СТМ. Отсутствие сил отталкивания в БК ССМ позволяет использовать ее в исследованиях «мягких образцов», при этом в БК ССМ, в отличие от СТМ, не требуется наличие проводящих образцов. БК ССМ использует принцип определения «модуляции амплитуды». Соответствующая измерительная схема использует изменения амплитуды колебаний кантилевера (A), обусловленные взаимодействием зонда с образцом. Работа по методу БК ССМ может быть описан в терминах градиентно-силовой модели. В соответствии с этой моделью в пределе малых A при приближении кантилевера к образцу резонансная частота кантилевера  сдвигается на величину  к своему новому значению в соответствии с выражением

где  есть новое значение резонансной частоты кантилевера с номинальной величиной жесткости , а  - градиента силы взаимодействия кантилевера с образцом. Величина z представляет эффективный зазор зонд-образец, для случая сил притяжения величина

 отрицательна.

Рис. 27. АСМ - бесконтактные методы

Если возбуждающая частота колебаний кантилевера , то сдвиг резонансной частоты в сторону меньших значений приводит к уменьшению амплитуды колебаний  кантилевера с частотой  при приближении к образцу. Эти изменения амплитуды A используются в качестве входного сигнала в системе обратной связи. Для получения сканированного изображения по методу БК ССМ необходимо, прежде всего, выбрать некую амплитуду Aset в качестве уставки, при этом Aset < A(fset) когда кантилевер находится вдали от поверхности образца. Система обратной связи подводит кантилевер поближе к поверхности, пока его мгновенная амплитуда A не станет равной амплитуде Aset при заданной частоте возбуждения колебаний . Начиная с этой точки может начаться сканирование образца в x-y плоскости с удержанием системой обратной связи A = Aset = constant для получения БК ССМ изображения. Система обратной связи подводит кантилевер ближе к образцу (в среднем) если Aset уменьшается в какой-либо точке, и отодвигает кантилевер от образца (в среднем) если Aset увеличивается. В целом, как следствие вышеизложенной модели в пределе малых A сканированное изображение может рассматриваться как рельеф постоянного градиента силы взаимодействия зонд-образец. Метод БК ССМ обладает тем преимуществом, что зонд не контактирует с образцом и поэтому не разрушает его и не искажает его изображения. В частности, это может быть важным при исследовании биологических образцов.

.4 Ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ)

Традиционные методы получения оптических изображений объектов

имеют существенные ограничения, связанные с дифракцией света. Одним из основополагающих законов оптики является существование так назы-ваемого дифракционного предела, который устанавливает минимальный размер(R) объекта, изображение которого может быть построено оптической системой при использовании света с длиной волны λ:

где n- показатель преломления среды. Для оптического диапазона длин волн предельный размер составляет величину порядка200÷300 нм. В ближнепольной оптической микроскопии используются другие принципы построения изображения объекта, которые позволяют преодолеть трудности, связанные с дифракцией света, и реализовать пространственное разрешение на уровне10 нм и лучше.

Идея СБОМа была предложена в1928 году Сингхом (E.H. Syngh), но она намного опередила технические возможности своего времени и осталась практически незамеченной. Ее первое подтверждение было получено Эшем (E.A. Ash) в опытах с микроволнами в1972 году. Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп был изобретен Дитером Полем (лаборатория фирмыIBM, г. Цюрих, Швейцария) в 1982 году сразу вслед за изобретением туннельного микроскопа. В основе работы данного прибора используется явление прохождения света через субволновые диафрагмы (отверстия с диаметром много меньше длины волны падающего излучения).

Рис. 28. (а) - Прохождение света через отверстие в экране с субволновой апертурой. (б) - Линии постоянной интенсивности оптического излучения в области субволнового отверстия

При прохождении света через субволновое отверстие наблюдается ряд особенностей. Электромагнитное поле в области диафрагмы имеет сложную структуру. Непосредственно за отверстием на расстояниях Z < 100а располагается так называемая ближняя зона, в которой электромагнитное поле существует, в основном, в виде эванесцентных (не распространяющихся) мод, локализованных вблизи поверхности диафрагмы. В области расстояний Z > 100a располагается дальняя зона, в которой наблюдаются лишь излучательные моды. Мощность излучения за субволновой диафрагмой в дальней зоне может быть оценена по следующей формуле:

где k - волновой вектор,  - плотность мощности падающего излу-чения. Оценки показывают, что для излучения с длиной волны порядка λ = 500 нм и диафрагмы с отверстием ~ 5 нм мощность излучения в дальней зоне составляет по порядку величин 10-10 от мощности падающего излучения. Поэтому, на первый взгляд, кажется, что использование малых отверстий для построения растровых оптических изображений исследуемых образцов практически невозможно. Однако, если поместить исследуемый объект непосредственно за отверстием в ближней зоне, то вследствие взаимодействия эванесцентных мод с образцом часть энергии электромагнитного поля переходит в излучательные моды, интенсивность которых может быть зарегистрирована оптическим фотоприемником. Таким образом, ближнепольное изображение формируется при сканировании исследуемого образца диафрагмой с субволновым отверстием и регистрируется в виде распределения интенсивности оптического излучения в зависимости от положения диафрагмы I(x,y). Контраст на СБОМ изображениях определяется процессами отражения, преломления, поглощения и рассеяния света, которые, в свою очередь, зависят от локальных оптических свойств образца.