ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР Курс лекций

Курс лекций
ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР
Лекция 2: Методы диагностики, обладающие нано-масштабным
пространственным разрешением: просвечивающая электронная
микроскопия, зондовые методы диагностики (сканирующая
туннельная
микроскопия,
атомно-силовая
микроскопия,
оптическая спектроскопия с использованием зонда).
Лекция 2: Сканирующая зондовая микроскопия
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ), объединяет широкий
спектр современных методов исследования поверхности.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) - Нобелевская
премия 1986 года (Бинниг и Рорер)
qпрямая визуализация поверхностной реконструкции;
qманипуляция отдельными атомами;
qисследование локального влияния поверхностных дефектов на
зонную структуру образца;
qизучение биологических и органических материалов, в частности:
üвизуализация отдельных молекул ДНК,
üпрямое измерение сил взаимодействия комплементарных
нуклеотидов,
üвизуализация в реальном масштабе времени процессов
взаимодействия ДНК с белками
http://www.spm.genebee.msu.su/members/gallyamov/gal_yam/gal_yam1.html
Лекция 2: Сканирующая зондовая микроскопия
Основные принципы сканирующей зондовой микроскопии
Общей чертой всех СЗМ является наличие микроскопического зонда, который приводится в
контакт (не всегда речь идет о механическом контакте) с исследуемой поверхностью и, в
процессе сканирования, перемещается по некоторому участку поверхности заданного размера.
Контакт зонда и образца подразумевает их взаимодействие. Природа этого выбранного взаимодействия и определяет принадлежность прибора к тому или иному типу в рамках семейства
зондовых микроскопов. Информация о поверхности извлекается путем фиксации (при помощи
системы обратной связи) или детектирования взаимодействия зонда и образца. В туннельном
микроскопе это взаимодействие проявляется в протекании постоянного тока в туннельном
контакте. В основе атомно-силовой микроскопии лежит взаимодействие зонда и образца с
силами притяжения или отталкивания. Существуют такие разновидности зондовых микроскопов,
как магнитно-силовой микроскоп (зонд и образец взаимодействуют с магнитными силами),
микроскоп ближнего поля (оптические свойства образца детектируются через миниатюрную
диафрагму, находящуюся в ближней зоне источника фотонов), поляризационный силовой
микроскоп (с образцом взаимодействует проводящий заряженный зонд) и т.д.
Миниатюрные размеры зонда и высокая чувствительность детектирующей системы зондовых
микроскопов позволяет достигать нано- и субнанометрового пространственного разрешения при
детектировании поверхностных свойств (разрешающая способность прибора, как правило, тем
выше, чем более короткодействующий характер имеет взаимодействие зонда и образца.)
Лекция 2: Сканирующая зондовая микроскопия
Общие принципы работы сканирующего зондового микроскопа
Процесс сканирования осуществляется при помощи пьезокерамического манипулятора. Зонд движется
последовательно, строка за строкой, вдоль поверхности (изменяются координаты X и Y). Положение иглы в
плоскости XY описывается двумя координатами Xi, и Yj. Результатом работы сканирующего зондового
микроскопа является установление соответствия между каждой парой координат {Xi,Yj} и некоторым числовым
значением, характеризующим анализируемый параметр поверхности.
По способу движения иглы над поверхностью можно провести следующую дифференциацию работы СЗМ.
q Сканирование по способу постоянной высоты: зонд движется над поверхностью при
постоянной координате Z. В этом случае в каждой точке {Xi,Yj} измеряется интенсивность
рабочего взаимодействия Fij|Z=const. Результатом исследования является массив {Fij|Z=const,Xi,Yj},
описывающий зависимость функции двух переменных F|Z=const(X,Y).
q Сканирование по способу постоянного взаимодействия: система обратной связи фиксирует
на заданном уровне величину рабочего взаимодействия A(X,Y,Z) вариацией вертикальной Z
координаты зонда. Результатом работы СЗМ будет массив {Zij|A=const, Xi, Yj}, коррелирующий с
топографией исследуемой поверхности.
Таким образом, результатом СЗМ-исследования является получение функциональных зависимостей двух типов:
по способу постоянной высоты: F|Z=const(X, Y) и по способу постоянного взаимодействия: Z|A=const(X,Y)
(``топография''). Следует учитывать отличие ``топографического'' массива, полученного в режиме постоянного
взаимодействия: {Zij|A=const, Xi,Yj} от реальной топографии поверхности. В случае неоднородного распределения
поверхностных свойств, определяющих интенсивность взаимодействия зонда и образца, для извлечения точной
информации о топографии объекта необходимо в каждой точке проводить дополнительный анализ
взаимодействия зонда и образца.
Лекция 2: Сканирующий туннельный микроскоп
Только проводящие материалы!
Лекция 2: Сканирующий туннельный микроскоп
В СТМ взаимодействие зонда и поверхности проявляется в протекании постоянного тока в туннельном зазоре между ними. Для плотности туннельного тока справедлива формула:
(3.1)
(3.1)
z – высота иглы относительно образца;
U – разность потенциалов на туннельном контакте;
φ– высота потенциального барьера;
It экспоненциально зависит от величины туннельного промежутка и именно это свойство
позволяет достичь столь высокого разрешения туннельной микроскопии. При изменении
расстояния зонд-образец z на один ангстрем величина туннельного тока изменяется на порядок.
Поскольку величина взаимодействия зонд-образец столь существенно зависит от расстояния z, то
это позволяет системе обратной связи поддерживать величину z постоянной в процессе
сканирования с высокой точностью. Данное обстоятельство обуславливает высокое
пространственное разрешение СТМ при определении ``топографической'' функции
Z|It=const(X,Y).
Лекция 1: Сканирующий туннельный микроскоп
Методика
Особенности
Стандартная
Получение изображения рельефа (Следует иметь в
виду, что в режиме СТМ картина рельефа поверхности
по сути дела определяется условиями возникновения
туннельного тока, величина которого является
функцией не только расстояния, но и электронных
свойств поверхности) проводящей поверхности или
картины распределения туннельного тока при
постоянной высоте иглы.
Литография
локальное воздействие на поверхность импульсами
напряжения. Служит для изменения рельефа,
физических и химических свойств проводящих
поверхностей или пленок на поверхности.
Лекция 2: Сканирующий туннельный микроскоп
Сканирующая
Туннельная
Спектроскопия
(СТС)
измерение вольтамперных характеристик в заданных
точках поверхности или регистрация распределения
по поверхности величины dI/dU, содержащей
информацию о локальной спектральной плотности
электронных
состояний.
Прибор
можно
запрограммировать на снятие кривых I-U в каждой
точке области и из собранных данных получить
трехмерную
картину
электронной
структуры
области. Все указанные методы предназначены для
зондирования локальной электронной структуры
поверхности с использованием СТМ
Измерение
локальной
высоты
потенциального
барьера
измерение зависимости I(z) туннельного тока от
величины туннельного зазора или регистрация
распределения по поверхности величины dI/dz,
содержащей информацию о локальной высоте
потенциального барьера (локальной работе выхода
электронов)
Лекция 2: Сканирующий туннельный микроскоп
Некоторые ограничения в методе СТС:
1.
СТС чувствительна только к электронным состояниям, которые локализованы в
вакуумном промежутке между иглой и поверхностью. СТС фиксирует только часть
волновых функций электронов, распространяющихся в вакуум на несколько
ангстрем.
2.
СТС, так же как и другая подобная техника (например, фотоэлектронная
спектроскопия), зависит от так называемых правил отбора – правил перехода
электронов из одного состояния в другое. Это определяет величину туннельного
тока.
3.
СТС несет информацию, искаженную влиянием самой иглы, так как плотности
электронных состояний поверхности и острия иглы перекрываются. Это заметно,
когда игла очень острая. В этом случае распределение ее собственной плотности
состояний имеет особенности, которые трудно учесть при анализе полученных
результатов. Именно поэтому иглу часто затупляют.
4.
Серьезное ограничение метода СТМ и СТС в том, что с их помощью затруднительно
производить анализ элементного состава в химическом соединении или сплаве. В
отличие от известных методов, например рентгеновской фотоэлектронной
спектроскопии или оже-спектроскопии, позволяющих анализировать остовные
электронные уровни, СТМ дает возможность анализировать плотность состояний
лишь в валентной зоне. В валентной зоне сплавов и соединений по сравнению с
таковыми у чистых элементов, входящих в состав сплава, происходят, как правило,
столь сильные изменения, что получить информацию о составе невозможно.
Лекция 2: Атомный силовой микроскоп
В атомно-силовом микроскопе взаимодействие является силовым взаимодействием
зонда и образца.
Обобщенная геометрия зонда атомносилового микроскопа
а) h - высота зонда, R - радиус кривизны кончика, d - расстояние между зондом и
образцом. Типичные параметры: h ∼ 3÷15 мкм, R ∼ 5÷40 нм, α ∼ 10÷35°;
Лекция 2: Атомный силовой микроскоп
Баланс силового взаимодействия зонда и образца
Притяжение Ван-дер-Ваальса
ρ1 и ρ2 - плотности материалов зонда и
образца, β - константа в законе Лондона для
энергии дисперсионного взаимодействия двух
нейтральных атомов в вакууме: U = −β/ r6;
A ∼ (0,4÷4)×10−19 Дж. FВдВ ∼ 10−8÷10−9 Н
Результат сканирования в контактном режиме
Контактный режим
Лекция 2: Атомный силовой микроскоп
Лекция 2: Атомный силовой микроскоп
Лекция 2: АСМ
Cantilever - консоль
Ещё одна модификация АСМ, активно используемая
в настоящее время - АСМ резонансного типа (tapping
mode). В этой схеме дополнительный пьезоэлемент
возбуждает вынужденные колебания консоли на его
резонансной частоте (вдали от поверхности образца).
При сближении зонда и образца возникновение
дополнительного градиента сил их взаимодействия
приводит к сдвигу резонансной частоты (изменению
эффективной жесткости) и частичному выходу
системы из резонанса, что уменьшает амплитуду
колебаний.
При сканировании АСМ в резонансном режиме
система обратной связи поддерживает на заданном
уровне величину амплитуды колебаний. В силу
высокой чувствительности амплитуды колебаний к
среднему значению расстояния между зондом и
образцом, можно получать информацию о топографии
поверхности с достаточно высоким пространственным
разрешением.
Лекция 2: Атомный силовой микроскоп
Лекция 2: Атомный силовой микроскоп
.