Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии
 Скачать 5.09 Mb.
|
Глава 3. Инструменты нанотехнологий. Атомно-силовая микроскопияЧерез пять лет после изобретения СТМ один из его разработчиков Г. Биннинг совместно с К. Куэйтом и К. Гербером разработали новый тип микроскопа, который назвали атомно-силовым микроскопом (АСМ). Как и СТМ он является зондовым сканирующим микроскопом, но измеряемой величиной является не туннельный ток, а непосредственно сила взаимодействия острия иглы и поверхности образца. На рис. 3.11 схематично показано изменение силы взаимодействия атомов при изменении расстояния между ними.  Рис. 3.11. Кривая зависимости межатомной силы, определяющей соответствующие режимы работы АСМ, от расстояния между острием иглы и образцом [4] Новый микроскоп позволил обойти ограничения своего предшественника. С помощью АСМ можно получать изображения поверхности как проводящих, так и непроводящих материалов с атомарным разрешением, причем в атмосферных условиях. Дополнительным преимуществом атомно-силовых микроскопов является возможность, наряду с измерениями топографии поверхностей, визуализировать их электрические, магнитные, упругие и другие свойства. Опуская подробности, работу АСМ можно описать следующим образом. По мере приближения иглы к поверхности, атомы иглы начинают все сильней притягиваться к атомам образца. Сила притяжения будет возрастать до тех пор, пока атомы не сблизятся настолько, что их электронные облака начнут отталкиваться. При дальнейшем уменьшении межатомного расстояния электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются при расстоянии между атомами порядка двух ангстрем (рис. 3.11). Силы взаимодействия зонда с поверхностью разделяют на короткодействующие и дальнодействующие. Короткодействующие силы возникают на расстоянии порядка 0,1-1 нм при перекрытии электронных оболочек атомов острия иглы и поверхности и быстро падают с увеличением расстояния. В короткодействующее взаимодействие с атомами поверхности вступает только несколько атомов на острие иглы. При получении изображения поверхности с помощью этого типа сил АСМ работает в контактном режиме. Возникновение дальнодействующих сил обусловлено ван-дер-ваальсовым, электростатическим или магнитным взаимодействием. Такие силы характеризуются более слабой зависимостью от расстояния и проявляются при величине зазора игла – образец от 0,1 до 1000 нм. Существенно, что в дальнодействующее взаимодействие в силу его сравнительно слабого спада с увеличением расстояния вносят вклад значительное число атомов, образующих острие иглы зонда. Исследование поверхности при использовании дальнодействующих сил производится в бесконтактном режиме. Основным измерительным инструментом АСМ является тонкая консоль, или кантилевер (от англ. cantilever) c закрепленным на конце зондом. С помощью лазерных датчиков изгиб консоли измеряется с ангстремной точностью, и по ее известной жесткости вычисляется сила взаимодействия зонда с поверхностью образца. На рис. 3.12 показан кантилевер с зондом при различных увеличениях.
В зависимости от типа взаимодействия АСМ может работать в одном из следующих режимов. В контактном режиме (соответствует области отталкивания на графике межатомных сил) зонд прижимается к образцу, и его отклонение вызвано взаимным отталкиванием атомов острия иглы и поверхности в результате перекрывания их электронных оболочек и кулоновского отталкивания ядер. В бесконтактном режиме (соответствует области притяжения на графике межатомных сил) АСМ отслеживает притягивающие ван-дер-ваальсовые силы между острием сканирующей иглы и образцом. Зазор между острием и образцом обычно составляет 5-10 нм. Промежуточное положение между контактным и бесконтактным занимает режим периодического кратковременного контакта иглы с поверхностью в процессе сканирования, так называемый режим «обстукивания» (tapping mode). В этом режиме консоль колеблется на собственной резонансной частоте с высокой амплитудой порядка 50-100 нм. При таких амплитудах игла соприкасается с поверхностью в момент максимального отклонения консоли вниз от положения равновесия, что существенно изменяет частоту, фазу и амплитуду его колебаний. Режим «обстукивания» характеризуется более высоким разрешением в горизонтальной плоскости по сравнению с контактным режимом. На основе описанных принципов работы АСМ разработаны различные модификации микроскопа и методики измерения магнитных, электростатических, механических и многих других свойств поверхности. Перечисленные выше методы в настоящее время широко используются для контроля технологических процессов, связанных с производством наноструктур и наноматериалов. | ||||
