Лекция №5 Исследование свойств поверхности методами сканирующей зондовой

микроскопииПлан:

1. Микроскопия латеральных сил. 2. Магнито-силовая микроскопия. 3. Электростатическая силовая микроскопия. 4. Силовая микроскопия пьезоотклика. 5. Оптическая ближнепольная микроскопия.6. Нанолитография.

Микроскопия латеральных сил

Микроскопия латеральных сил (МЛС) – это контактная АСМ, отображающая латеральные (т.е. боковые) отклонения кантилевера (закручивание), которые возникают в ней в плоскости параллельной поверхности образца. С помощью МЛС возможна визуализация изменений поверхностного трения, являющихся результатом негомогенности материала поверхности, а также для получения контрастных изображений любых поверхностей

С созданием МЛС связано возникновение такой области исследований, как нанотрибология: эта технология предоставляет исключительную возможность исследовать процессы трения и изнашивания на молекулярном уровне при взаимодействии как отдельных выступов микрорельефа, так и отдельных атомов или молекул

Латеральные отклонения консоли обычно возникают по двум причинам: изменение наклона поверхности и изменение ее фрикционных параметров (коэффициента трения). В первом случае консоль может закручиваться, когда ей попадается постепенный наклон. Во втором случае сканирующая игла, пересекая некоторый участок, может испытать большее трение, вызывая тем самым и большее закручивание измерительной консоли. Чтобы разделить эти два эффекта, МЛС должен «уметь» одновременно считывать данные о латеральном и вертикальном отклонении (т.е. визуализировать топографию).

Магнито-силовая микроскопия

Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) был изобретен И.Мартином и К.Викрамасингхом в 1987 г. для исследования локальных магнитных свойств образцов. Данный прибор представляет собой атомно-силовой микроскоп, у которого зонд покрыт слоем ферромагнитного материала

HmU

HmUF

Потенциальная энергия магнитного диполя в поле

Сила, действующая на диполь в неоднородном поле

HmN

Момент сил, действующих на диполь

В однородном магнитном поле сила f=0, так что на диполь действует лишь момент сил, который разворачивает магнитный момент m вдоль поля. В неоднородном поле диполь втягивается в область с большей напряженностью H.

Магнито-силовая микроскопия

Для МСМ исследований магнитных образцов с сильно развитым рельефом поверхности применяется двухпроходная методика. В каждой строке сканированияпроизводится следующая процедура. На первом проходе снимается АСМ изображение рельефа в контактном или полуконтактном режиме. Затем зондовый датчик отводится от поверхности на расстояние, и осуществляется повторное сканирование. Расстояние выбирается таким образом, чтобы сила Ван-дер-Ваальса была меньше силы магнитного взаимодействия.

На втором проходе датчик перемещается над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца. Поскольку в этом случае локальное расстояние между зондовым датчиком и поверхностью в каждой точке постоянно, изменения изгиба кантилевера в процессе сканирования связаны с неоднородностью магнитных сил, действующих на зонд со стороны образца.

Часто бывает, что рельеф образца имеет мало общего с его магнитной структурой, поэтому картины, полученные в первом и втором проходах совершенно различны.

Различают статическую и динамическую МСМ.

Магнито-силовая микроскопия

Моделирование МСМ изображения однородно намагниченной частицы: (слева) - распределение намагниченности в частице;

(справа) – соответствующее МСМ изображение.

МСМ изображение массива магнитных наночастиц

МСМ изображение поверхности жесткого диска: вверху рельеф, внизу –

распределение намагниченности.

Электростатическая силовая микроскопия

В электросиловой микроскопии (ЭСМ) для получения информации о свойствах поверхности используется электрическое взаимодействие между зондом и образцом.

Пусть между зондом и образцом подано постоянное напряжение U0 и переменное напряжение U~=U1 ·sin(ωt). Если тонкий слой на подложке представляет собой полупроводник или диэлектрик, то он может содержать поверхностный заряд, так что на поверхности образца существует распределение потенциала φ(x,y) . Напряжение между зондом и поверхностью образца можно представить в виде

),()sin(10 yxtUUU 2

2CUE Энергия взаимодействия

зонда с поверхностью

)(EgradF

dz

dCU

dz

dEFz

2

2

1

Сила взаимодействия зонда с поверхностью имеет три составляющие: постоянную, на частоте и на частоте 2. Последняя не зависит от распределения поверхностного потенциала и позволяет исследовать локальные диэлектрические свойства приповерхностных слоев образцов (емкостная микроскопия).

Электростатическая силовая микроскопияДетектирование сигнала на частоте позволяет изучать распределение поверхностного потенциала (x, y) (так называемый метод зонда Кельвина). Для этого при сканировании образца на втором проходе в каждой точке производится следующая процедура. С помощью перестраиваемого источника постоянного напряжения подбирается величина U0 таким образом, чтобы амплитуда колебаний кантилевера на частоте ω становилась равной нулю. Это происходит в том случае, если U0 = (x, y) в данной точке поверхности.

Двухпроходная методика ЭСМ

Рельеф поверхности (вверху) и распределение поверхностного потенциала (внизу) пленки азобензола. Выделяются молекулы азобензола.

Силовая микроскопия пьезооткликаСиловая микроскопия пьезоотклика – это разновидность контактной методики для исследования образцов с пьезоэлектрическими свойствами, в которой между зондом и образцом прилагается переменное напряжение. В результате обратного пьезоэффекта поляризованные домены на поверхности начинают осциллировать, вызывая колебания кантилевера. Амплитуда этих колебаний используется для формирования контраста.

nR

2

Дифракционный предел – минимальный размер объекта, изображение которого может быть построено оптической системой (для видимого света эта величина составляет 200-300 нм).

Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ) был изобретен Дитером Полем (лаборатория фирмы IBM, г. Цюрих, Швейцария) в 1982 году. В основе работы данного прибора используется явление прохождения света через субволновые диафрагмы (отверстия с диаметром много меньше длины волны падающего излучения).

Контраст СБОМ-изображений определяется процессами отражения, преломления, поглощения и рассеяния света, которые, в свою очередь, зависят от локальных оптических свойств образца.

Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ)

Структура оптического волокна

Регистрация оптического сигнала в СБОМ

Изготовление зондов для СБОМ

НанолитографияОбычно СЗМ применяются для формирования изображения поверхности без ее повреждения. Однако и АСМ, и СТМ могут быть использованы для направленной модификации поверхности путем приложения либо повышенной нагрузки в случае АСМ, либо повышенных пульсаций тока в случае СТМ. Эта технология известна как нанолитография.

Выделяют следующие виды зондовой литографии:- СТМ литография;- Локальное анодное окисление;-АСМ силовая литография (статическая и динамическая – «гравировка» и «чеканка»).- СБОМ литография

Силовая литографияСТМ литография

Вопросы для самостоятельной работы:

1. Что такое двухпроходные методики, в чем их отличие от однопроходных, для чего они нужны?

2. Каким образом можно измерить значение коэффициента трения при помощи МЛС?

3. Что такое динамическая и статическая магнито-силовая микроскопия? В чем их отличие?

4. Можно ли измерить магнитные характеристики материала (магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, остаточная намагниченность, намагниченность насыщения) при помощи магнитно-силовой микроскопии?

5. Покажите, что сила электростатического взаимодействия зонда с поверхностью, измеренная на частоте 2, зависит от диэлектрических свойств поверхности и не зависит от её потенциала.

6. Как измерить петлю гистерезиса пьезоэлектрика при помощи микроскопии пьезоотклика?