3.3. Сканирующая микроскопия
Рис. 3.14. Ионно-полевой микроснимок конца вольфрамовой иглы, расшифрованный с
помощью сте¬реографической проекции на рис. 3.15
Рис. 3.15. Стереографическая проекция кубического кристалла в направлении [011],
соответствующая снимку вольфрама в ионно-полевом микроскопе на рис. 3.14
Эффективным способом получения изображения поверхности образца является
сканирование поверхности электронным пучком с образованием растра анало¬гично
тому, как электронная пушка сканирует экран в телевизоре. Информация о
поверхности может быть получена и с помощью сканирующего твердотельного зонда,
траектория которого проходит по отдельным областям исследуемой поверхности.
Сканирование может также выполняться зондом, изме¬ряющим ток, который создается
электронами, туннелирующими между поверх¬ностью образца и кончиком зонда, или
зондом, измеряющим силу'взаимодейст¬вия между поверхностью и кончиком иглы.
Рассмотрим установки, предназначенные для каждого из этих трех методов:
сканирующий просвечивающий электронный микроскоп, сканирующий туннельный
микро¬скоп (STM) и атомно-силовой микроскоп (AFM).
Как уже упоминалось ранее, электронная оптика сканирующего электронно¬го
микроскопа аналогична показанной на рис. 3.10 для обычного просвечиваю¬щего
электронного микроскопа за исключением того, что при просвечивании электроны
летят слева направо, а при сканировании — справа налево на показан¬ной схеме
установки. Работа электронного микроскопа рассматривалась ранее, опишем только
отклоняющую систему сканирующе¬го электронного микроскопа, показанную на рис.
3.16. Отклонение осуществля¬ется магнитным полем, создаваемым электрическим
током в катушках, по тому же принципу, что и в большинстве обычных телевизионных
приемников. Маг¬нитное поле, создаваемое катушкой, пропорционально приложенному
к ней на¬пряжению V. На верхней врезке в левой части рис. 3.16 показано
пилообразное напряжение, подаваемое на пары катушек I1,I1 и I2,I2. Магнитное
поле катушек создает силу, отклоняющую электронный пучок слева направо по
направлению, указанному линией на образце. Переменные магнитные поля катушек
f1,f1 и f2,f2 вызывают меньшие отклонения (от точки 1 к 1' и далее к 1"),
показанные на врез¬ке А. Таким образом, электронный пучок все время перемещается
по образцу сле¬ва направо и обратно постепенно смещаясь вниз и образуя растр, со
временем по¬крывающий всю площадь кадра r x r. На рис. 3.17
показаны частицы золота раз¬мером 3 нм на углеродной подложке,
сфотографированные с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Сканирующий туннельный микроскоп в качестве зонда использует иглу с
ис¬ключительно тонким концом, который подключают к положительному по¬люсу
источника напряжения и приближают к изучаемой поверхности на рассто¬яние порядка
1 нм. Электроны, принадлежащие конкретным атомам на поверх¬ности образца,
притягиваются положительно заряженным концом и перепрыгивают (туннелируют) на
него, образуя тем самым слабый электричес¬кий ток. Зонд перемещается по
поверхности образца для получения растра так же, как и электронный луч в
предыдущем случае. Обычно используется либо переме¬щение на постоянной высоте,
либо так, чтобы постоянным был туннельный ток, как показано на рис. 3.18. В
режиме постоянного тока цепь обратной связи под¬держивает постоянное расстояние
между зондом и поверхностью, а изучаемым сигналом является вертикальное смещение
зонда.
Рис. 3.16. Двойная отклоняющая система сканирующего электронного микроско¬па.
Верхние катушки l1 - 11 отклоняют луч на угол θ, нижние катушки 12 —12 отклоняют
его назад на угол 2θ, так что электроны последовательно попадают на образец
вдоль показанной линии. На рис. слева вверху приведено пилообразное напряжение,
задающее ток в сканирующих ка¬тушках На нижней левой врезке показана
последовательность точек образца, соответствующая различным траекториям 1, 2, 3,
4, 5 электрон¬ного пучка, идущего вниз по оси микроскопа. Сканирующие катушки f1
- f1 и f2 – f2 - обеспечивают смещение луча по последовательности точек 1 - 1’ -
1’’, показанных на левом нижнем фрагменте.
Такой режим работы поддер¬живает туннельный барьер при движении вдоль
поверхности одним и тем же. В режиме постоянной высоты расстояние от зонда до
поверхности все время меняется, что отражается в изменениях измеряемого
туннельного тока в процессе сканирования. Цепь обратной связи используется для
установки первоначальной высоты над поверхностью, а затем отключается.
Сканирующий зонд показывает картину распределения атомов на поверхности.
Рис. 3.17. Микроснимок частиц золота ди¬аметром 3 нм (30 А) на углеродной
подлож¬ке, полученный на сканирующем элек¬тронном микроскопе.
Рис. 3.18. Режимы постоянной высоты (вверху) и неизменного тока (внизу)
ска¬нирующего туннельного микроскопа.
В STM-микроскопе часто исполь¬зует пьезоэлектрический трехточечный сканнер. Его
первоначальная конст¬рукция, созданная Биннигом и Рорером, показана на рис.
3.19. Пьезоэлектрик - это материал, в котором прило¬женное электрическое
напряжение вызывает механическую деформацию, и наоборот. Напряжение,
прикладыва¬емое к пьезоактуатору, вызывает пере¬мещение сканирующего зонда (или
об¬разца) с нанометровыми приращения¬ми вдоль направлений х, y или z, показанных
на стойках (3) сканнера. Первоначальная юстировка осуществ¬ляется после
установки образца с по¬мощью шагового двигателя и микроме¬трических винтов.
Туннельный ток, из¬меняющийся от ширины зазора между зондом и образцом
экспоненциально, зависит от состояния поверхности и кончика зонда.
Третьим широко используемым методом для изучения поверхности наноструктур
является атомно-сило¬вая микроскопия. На рис. 3.20 показа¬на конструкция
типичного атомно-си¬лового микроскопа (AFM). Фундамен¬тальное различие между SТМ
и АFМ состоит в том, что первый измеряет туннельный ток между зондом и
по¬верхностью, а второй - силу взаимо¬действия между ними. АFМ так же, как и
SТМ, имеет два режима работы. AFМ может работать в контактном ре¬жиме с
поверхностью, при котором ос¬новную роль играют силы отталкивания электронных
оболочек атомов зонда и поверхности, и в "бесконтактном" режиме, когда зонд
находится на большем расстоянии и доминируют силы Ван дер Ваальса. Как и в
случае SТМ, использу¬ется пьезоэлектрический сканнер. Вертикальное перемещение
зонда в процессе сканирования может контролироваться по изменению
интерференционной кар¬тины, создаваемой пучком света, направляемым по
оптоволокну, как показано в верхней части рисунка, либо по отражению
Рис. 3.20. Схема атомно-силового микро¬скопа. Показан кантилевер, снабженный
зондирующим кончиком, который переме¬щается вдоль поверхности образца с помо¬щью
пьезоэлектрического сканнера. На верхнем рисунке показан интерферен¬ционный
датчик смещений. На увеличен¬ном виде кантилевера с зондом внизу — датчик,
основанный на отклонении лазер¬ного луча. Эти датчики измеряют верти¬кальное или
горизонтальное смещение зонда в процессе сканирования.
лазерного луча, как показано на увеличенном виде кончика зонда в нижней
части рисунка. АFМ чувст¬вителен к вертикальной компоненте поверхностных сил.
Близкая к опи¬санным, но более гибкая мода АFМ называется латерально-силовой
мик¬роскопией (FFМ) и реагирует на боко¬вые силы трения между зондом и
ска¬нируемой поверхностью. При этом од¬новременно может быть измерена и
нормальная, и касательная составля¬ющая силы воздействия поверхности на зонд.
Все три описанных сканирующих микроскопа предоставляют информа¬цию о топографии
и дефектах структу¬ры поверхности с разрешением, близ¬ким к атомному. На рис.
3.21 показано трехмерное представление АFМ-изоб¬ражения наноструктуры,
образован¬ной атомами хрома на поверхности SiO2. Образец был изготовлен методом
лазерного
Рис. 3.19. Сканирующий механизм тун¬нельного микроскопа. Показаны
пьезоэле¬ктрическое основание (1), три ножки ос¬нования (2) и пьезоэлектрический
сканнер на треноге (3), удерживающий зонд, на¬правленный к образцу.
напыления атомов хрома в присутствии гауссовой стоячей волны на поверхности, что
привело к наблюдаемой упорядоченной последовательности пиков и долин на
поверхности. Когда осаждение хрома сфокусированным лазер¬ным лучом производилось
при наличии двух перпендикулярных друг другу пло¬ских волн на поверхности,
получалась двумерная структура, АFМ-изображение которой показано"на рис. 3.22.
Следует отметить, что расстояние между пиками, равное 212,78 нм, одинаково в
обоих случаях. Высота пиков в двумерном случае (13 нм) больше, чем в одномерном
(8 нм).
Рис. 3.21. Трехмерная визуализация АБМ изображения наноструктуры,
сформиро¬ванной лазерным осаждением атомов хро¬ма на БЮ2 подложку в присутствии
гаус¬совой стоячей волны.
Рис. 3.22. AFM – изображение наноструктуры, сформированной лазерным осаждением
атомов хрома в присутствии двух взаимо перпендикулярных гакссовыъ стоячих волн.