1.9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ВЕЩЕСТВ — СКАНИРУЮЩИЕ ЗОНДОВЫЕ МИКРОСКОПЫ

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) сегодня используются в таких сферах науки, как фундаментальное исследование поверхности и традиционный анализ ее шероховатости. Не менее эффектно применение СЗМ-тех- нологий для построения трехмерных изображений — от атомов до микронных образований на поверхности биологических объектов.

Сканирующий зондовый микроскоп — это инструмент со множеством возможностей. С его помощью можно строить реальные трехмерные изображения в широком динамическом диапазоне, в том числе в традиционной сфере применения оптических и электронных микроскопов. Это также и профилометр с беспрецедентным разрешением. Сканирующий зондовый микроскоп может измерять такие физические свойства, как, например, проводимость поверхности, распределение статических зарядов, магнитных полей и модуля упругости, свойства смазочных пленок и др. Современное использование СЗМ весьма разнообразно.

Изображения, получаемые с помощью СЗМ, относятся к разряду создаваемых микроскопическими методами образам, которые достаточно легко интерпретировать. Принцип получения изображения с помощью электронного или оптического микроскопа базируется на сложных электромагнитных дифракционных эффектах. Поэтому иногда могут возникать затруднения при определении, является ли некоторый элемент микрорельефа поверхности выступом или впадиной. Напротив, СЗМ показывает истинные трехмерные параметры. На СЗМ-изображении выступ предстает выступом, а впадина ясно видна как впадина. На получаемых при помощи оптических или электронных микроскопов изображениях, например плоского образца, чередование отражающих и поглощающих участков может искусственно менять контрастность. Атомно-силовой микроскоп, в свою очередь, практически безразличен к изменениям оптических или электронных свойств и отображает реальную топографию поверхности.

Все СЗМ содержат компоненты, схематично представленные на рис. 1.26.

В состав СЗМ-комплекса обычно входит компьютер, который управляет работой электромеханической части микроскопа, принимает и записывает регистрируемые зондом данные, производит на их основе построение СЗМ-изо- бражения и, кроме того, позволяет его обрабатывать, без чего подчас бывает трудно или вообще невозможно проанализировать наблюдаемую картину.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) исторически является предшественником всех сканирующих

Рис. 1.26

Общая схема СЗМсканирующего зондового микроскопа

Рис. 1.27

Принцип действия СТМ (слева) и два режима его работы (справа)

зондовых микроскопов. СТМ был первым устройством, давшим реальные изображения поверхностей с атомарным разрешением. В качестве зонда в СТМ используется острая проводящая игла. Между острием иглы и образцом создается рабочее напряжение, и при подводе острия к образцу примерно до 0,5-1,0 нм электроны с образца начинают «туннелировать» через зазор к острию или наоборот, в зависимости от полярности рабочего напряжения (рис. 1.27). На основании данных о токе туннелирования в СТМ проводится визуализация топографии. Чтобы происходило туннелирование, как образец, так и острие должны быть проводниками или полупроводниками. Изображений непроводящих материалов СТМ дать не может.

Существуют два варианта конструкции СТМ в зависимости от режима сканирования образцов. В режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирования изменяется. Исходя из данных о величинах тока туннелирования, промеренных в каждой точке сканирования поверхности образца, строится топография. В режиме постоянного тока СТМ действует система обратной связи для поддержания постоянного тока туннелирования путем подстройки высоты сканирующего устройства над поверхностью в каждой точке. Например, когда система детектирует увеличение туннельного тока, то она подстраивает напряжение, прикладываемое к пьезоэлектрическому сканирующему устройству, так, чтобы отвести острие дальше от образца. В режиме постоянного тока визуализация топографии осуществляется на основании данных о величине вертикальных перемещений сканирующего устройства. Если система поддерживает ток туннелирования постоянным в пределах нескольких процентов, то расстояние между острием и образцом будет постоянным с погрешностью в несколько сотых ангстрема.

У каждого режима есть преимущества и недостатки. Режим постоянной высоты более быстрый, так как системе не приходится передвигать сканирующее устройство вверх и вниз, но при этом можно получить полезную информацию только с относительно гладких поверхностей.

В режиме постоянного тока можно с высокой точностью измерять неровные поверхности, но при больших затратах времени.

Сканирующая туннельная спектроскопия (СТС) является наряду с топографическими измерениями другой важной областью приложения СТМ. На основе значений тока туннелирования составляется топография поверхности образца, но, если говорить более точно, туннельный ток соответствует электронной плотности ее состояний (составных частей). В действительности СТМ регистрирует количество заполненных или незаполненных электронных состояний вблизи поверхности Ферми в диапазоне значений энергии, определяемом прикладываемым рабочим напряжением. Можно сказать, что СТМ измеряет скорее не физическую топографию, а поверхность постоянной вероятности туннелирования.

Чувствительность СТМ к местной электронной структуре может вызвать затруднения при картографировании (т. е. если необходимо получить изображение топографии). Например, если какой-то участок образца окислен, то, когда острие сканирующей иглы попадет на него, туннельный ток резко уменьшится. СТМ, работающий в режиме постоянного тока, даст команду острию приблизиться к поверхности, чтобы поддержать установленную величину тока туннелирования. В результате острие может углубиться в поверхность.

В то же время чувствительность СТМ к электронной структуре может быть огромным преимуществом. Более традиционные спектроскопические методы, такие как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия или инверсная фотоэмиссионная спектроскопия, детектируют и усредняют данные, исходящие с относительно большой площади размерами от нескольких микрон до нескольких миллиметров в поперечнике. СТМ, наоборот, может получать спектры с площадей, сравнимых по размерам с отдельными атомами.

Атомно-силовой микроскоп (АСМ). АСМ появились как развитие СТМ-технологии, однако заложенные в них совершенно иные принципы позволяют исследовать поверхности любых материалов — проводящих, полупроводников, а также изоляторов, т. е. не проводящих электрический ток. АСМ зондируют поверхность образца острой иглой длиной 1-2 мкм и диаметром обычно не более 10 нм. Игла устанавливается на свободном конце измерительной консоли.

Основной принцип работы АСМ заключается в воздействии сил со стороны поверхности образца на острие сканирующей иглы. Сила, которая чаще всего ассоциируется с АСМ, — это межатомная сила, называемая также ван- дер-ваальсовой.

На рис. 1.28 схематически представлена кривая зависимости межатомной силы от расстояния между острием иглы и образцом. Правая часть кривой характеризует ситуацию, когда атомы острия и поверхности разделены большим расстоянием. По мере постепенного сближения они будут сначала слабо, а затем все сильнее притягиваться друг к другу. Сила притяжения будет возрастать до тех пор, пока атомы не сблизятся настолько, что их электронные облака начнут электростатически отталкиваться. При дальнейшем уменьшении межатомного расстояния электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются при расстоянии между атомами порядка двух ангстрем, что приблизительно составляет длину химической связи. Когда суммарная межатомная сила становится положительной (отталкивающей), то это означает, что атомы вступили в контакт.

Рис. 1.28

Зависимость силы межатомного взаимодействия от расстояния между острием и образцом

В отношении контакта между острием сканирующей иглы и поверхностью исследуемого образца работа атомно-силового микроскопа обычно проходит в одном из режимов, соответствующим обозначенным на рис. 1.28 участкам кривой межатомного взаимодействия. Это контактный и бесконтактный режимы, сочетание которых дает так называемый режим «обстукивания».

При контактном режиме, известном иначе как режим отталкивания, острие сканирующей иглы АСМ приходит в мягкий «физический контакт» с образцом. Измерительная консоль, на свободном конце которой расположена игла, обычно характеризуется низкой константой упругости, величина которой должна быть меньше, чем эффективная константа упругости, удерживающая атомы образца вместе.

Наклон кривой на графике межатомных сил в области отталкивания, или контакта, очень крутой. Вследствие этого отталкивающая сила уравновешивает практически любую силу, которая пытается сблизить атомы друг с другом. Для АСМ это означает, что если измерительная консоль[1] прижимает острие иглы к поверхности, то консоль скорее изогнется, чем ей удастся приблизить острие к атомам образца. Даже если изготовить очень жесткую консоль, чтобы приложить огромную силу к образцу, межатомное расстояние между острием и атомами образца уменьшится ненамного. Вероятнее всего деформируется поверхность образца.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  • 1. Разъясните различие между ближним и дальним порядком в твердых телах.
  • 2. Каковы основные виды межатомной связи в твердых телах и чем они обусловлены?
  • 3. В чем сущность ковалентной связи? Приведите примеры веществ с таким типом химической связи.
  • 4. Дайте сравнительную характеристику ван-дер-ваальсовой, металлической и ионной химических связей.
  • 5. Перечислите основные элементы симметрии кристаллов и объясните их физический смысл.
  • 6. Какова схема нахождения индексов Миллера?
  • 7. Перечислите и объясните основные геометрические свойства кристаллических решеток.
  • 8. Разъясните закон дифракционного рассеяния.
  • 9. Перечислите основные свойства векторов обратной решетки.
  • 10. Разъясните понятие зоны Бриллюэна и условия дифракции.
  • 11. Какова размерная классификация дефектов?
  • 12. Какие вы знаете виды точечных дефектов?
  • 13. Какие виды дислокаций вы знаете, чем они различаются?

  • [1] В терминологии СЗМ в силу происхождения самой технологии часто используются так называемые словообразовательные кальки на базеанглийских терминов, например, не «острие», а «тип» (tip), не «консоль», а «кантилевер» (cantilever).
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >