Основными типами сканирующих зондовых микроскопов являются сканирующий туннельный микроскоп и сканирующий атомно-силовой микроскоп .

 

1 – зонд; 2 – пучок электронов; 3 – образец; U – разность потенциалов между зондом и объектом; I_Т – туннельный ток; L – расстояние между зондом и объектом; F – площадь туннельного контакта

Рисунок 1.3 – Схема протекания туннельного тока между зондом и обектом

 

В сканирующем туннельном микроскопе к проводящей поверхности образца 3 подводится острый зонд 1, оканчивающийся одним атомом. При расстояниях в деся­тые доли нанометра волновые функции электронов атома зонда и ближайшего атома образца перекрываются. В результате че­рез зазор протекает ток I_Т, обусловленный туннелированием электронов. Вероятность туннельного перехода экспоненциально зависит от величины зазора L, разности потенциалов между ними U и величинами работы выхода электронов F₁ и F₂ с поверхности зонда и поверхности исследуемого объекта. Поэтому, перемещая зонд вдоль по­верхности, можно анализиро­вать ее топологию с атомным разрешением.

Возможны два режима работы туннельных микроскопов, схемы которых представлены на рисунках 1.4 и 1.5.

Рисунок 1.4 – Режим постоянной высоты

 

В первом режиме зонд переме­щается на одной и той же вы­соте над образцом. Изменение высоты различных неровнос­тей поверхности приводят к соответствующим изменениям туннельного тока.

 

Рисунок 1.5 – Режим неизменного тока

 

Во втором методе существует обратная связь, с помощью которой тун­нельный ток поддерживается на одном уровне путем измене­ния высоты зонда над поверх­ностью. Металлический зонд обычно изготавливают из воль­фрама. Кон­струкция пьезоэлектрического трехточечного сканера, предло­женного Г. Биннингом и Г. Рорером, показана на рисунке 1.6.

 

Рисунок 1.6 - Кон­струкция пьезоэлектрического трехточечного сканера

Пьезоэлектрическое основа­ние 1, на котором крепится образец, располагается на трех ножках 2. Зонд укреплен горизонтально на пьезоэлектрическом сканере 3. Напряжение, прикладываемое к пьезокристаллам, вызывает пе­ремещение образца по трем осям (x, y, z). Первоначальная юс­тировка осуществляется микрометрическими винтами. Зависи­мость напряжения на пьезоэлементе от координат зонда отража­ет рельеф поверхности образца. В туннельном микроскопе гори­зонтальное разрешение достигает 0,3 нм, а вертикальное состав­ляет 0,01…0,05 нм. С помощью туннельного микроскопа можно исследовать только электропроводные материалы, что является его существенным недостатком.

Атомно-силовая микроскопия – один из видов сканирующей зондовой микроскопии, основанный на ван-дер-вальсовских взаимодействиях зонда с поверхностью образца. Схема устройства атомно-силового микроскопа представлена на рисунке 1.7. 

Рисунок 1.7 – Схема устройства атомно-силового микроскопа

 

Принцип действия атомно-силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя атомами действуют силы отталкивания, а на больших – силы притяжения. В сканирующем атомном силовом микроскопе эти силы действуют между исследуемой поверхностью и скользящим над ней острием. В качестве зонда используется игла с площадью острия в один или несколько атомов, закрепленная на кантилевере, который плавно скользит над поверхностью образца. На выступающем конце кантилевера расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда зонд опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к близлежащим атомам – пьезодатчиком. Разрешающая способность данного метода составляет примерно 0,1…1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали. С помощью АСМ можно исследовать как проводящие, так и диэлектрические поверхности.

В зависимости от расстояний от иглы до образца возможны следующие режимы работы атомно-силового микроскопа:

– контактный режим;

– бесконтактный режим;

– полуконтактный режим.

При контактном режиме расстояние от иглы до образца составляет порядка нескольких десятых нм. Таким образом, игла находится в мягком физическом контакте с образцом и подвержена действию сил отталкивания. В этом случае взаимодействие между иглой и образцом заставляет кантилевер изгибаться, повторяя топографию поверхности.

Топографические изображения в атомно-силовом микроскопе обычно получают в одном из двух режимов:

– режим постоянной высоты;

– режим постоянной силы.

В режиме постоянной высоты положение сканера в вертикальном направлении фиксировано, а отклонения кантилевера служат для построения топографического изображения поверхности. Данный режим предпочтителен для получения изображений атомарно гладких объектов, а также для записи в реальном масштабе времени быстро протекающих процессов на поверхности, когда необходимо обеспечить высокую скорость сканирования. В режиме постоянной силы поддерживается постоянным отклонение кантилевера путем непрерывной подстройки высоты сканера с помощью системы слежения. Изображение строится на основе сигналов, обеспечивающих вертикальное перемещений кантилевера. Данный режим применяется наиболее часто, но у него есть недостаток: ограниченная скорость сканирования из-за конечной скорости функционирования системы слежения.

При бесконтактном режиме (режиме притяжения) кантилевер с помощью пьезокристалла колеблется над изучаемой поверхностью с амплитудой ~2 нм, превышающей расстояние между зондом и поверхностью. Действие межатомных сил вызывает изменение резонансной частоты и амплитуды колебаний кантилевера. Если резонансная частота или амплитуда колебаний поддерживается постоянной с помощью следящей системы (цепи обратной связи), которая контролирует положение сканера, то траектория движения конца зонда будет соответствовать атомному рельефу поверхности.

Полуконтактный режим аналогичен бесконтактному режиму с тем отличием, что игла кантилевера в нижней точке своих колебаний слегка касается поверхности образца. Данный режим не обеспечивает атомного разрешения, но оказывается достаточно успешным для получения изображений шероховатых поверхностей с высоким рельефом. 

Таким образом, отличительной особенностью метода атомно-силовой микроскопии является то, что он позволяет исследовать на атомарном уровне не только поверхности проводящих объектов, но и объектов диэлектрических. С помощью АСМ можно исследовать силовые характеристики поверхностных атомов объектов путем регистрации зависимости силы взаимодействия от расстояния между зондом и объектом. При исследовании легко разрушаемых объектов, например, биологических, пространство между зондом и поверхностью заполняют специальной жидкостью, что позволяет на порядок уменьшить силы взаимодействия.

Разновидностью атомно-силового микроскопа является магнитно-силовой микроскоп (МСМ). Особенностью конструкции МСМ является то, что острие сканирующей иглы покрывается тонкой ферромагнитной пленкой. МСМ работает в бесконтактном режиме и детектирует изменения в резонансной частоте измерительной консоли, обусловленные изменениями магнитного поля в зазоре между острием сканирующей иглы и образцом. МСМ может визуализировать естественно встречающиеся и свободно записанные доменные структуры в магнитных материалах. Схема работы МСМ представлена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 – Схема работы магнитно-силового микроскопа

 

Микромагнит в виде заостренной иглы перемещают вблизи поверхности образца, регистрируя силы взаимодействия с образцом. В магнитно-силовом микроскопе при сканировании образца игла проходит по одному и тому же месту дважды.

Первый раз она движется по поверхности образца в контакте с ним, при этом компьютер запоминает ее траекторию, которая в этом случае соответствует профилю исследуемой поверхности.

Второй раз игла проходит по той же траектории над тем же участком поверхности, но на некотором удалении от нее. При таком движении на иглу, расположенную на микроконсоли, действуют уже не контактные силы, как в первом случае. Если иглу отвести на расстояние 10…50 нм, то Ван-дер-Ваальсовое притяжение затухает и остаются только более дальнодействующие магнитные силы, так что отклонение иглы от заранее обусловленной траектории будет определяться именно магнитными свойствами образца.

В реальных экспериментах для достижения максимальной чувствительности кантилевер приводят в состояние резонанса, и игла проходит образец дважды: первый раз отслеживает профиль поверхности в режиме прерывистого контакта, второй раз – при свободных колебаниях, на удалении от поверхности. Регистрация в процессе измерений амплитуды, фазы или частоты колебаний дает более точную информацию о магнитных включениях (доменах, кластерах) в исследуемом объекте.

Магнитно-силовой микроскоп нашел практическое применение при разработке и конструировании магнитных носителей информации — магнитных лент, винчестеров, магнитооптических дисков и пр. Он позволяет увидеть в материале отдельные магнитные области (до 10 нм) [1].

Изображения, полученные с помощью МСМ, содержат информацию как о топографии, так и о магнитных свойствах поверхности. Какая информация преобладает на изображении, зависит от величины расстояния между острием и поверхностью, потому что межатомная магнитная сила существует при больших зазорах, чем это наблюдается для Ван-дер-Ваальсовой силы. Если острие находится близко к поверхности (<10 нм), то в режиме работы стандартного бесконтактного АСМ на изображении будет отражена преимущественно топография. При увеличении зазора между острием и образцом (примерно до 30…300 нм) влияние топографии снижается, и становятся видны магнитные

эффекты.