Бухараев А.А.

ОПЫТ СОТРУДНИЧЕСТВА КФТИ КазНЦ РАН и
КФУ в ПОДГОТОВКЕ СПЕЦИАЛИСТОВ в
ОБЛАСТИ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ
МИКРОСКОПИИ НАНОСТРУКТУР
Бухараев А.А.
Зав.лабораторией физики и химии поверхности
Казанского физико-технического института
им.Е.К.Завойского КазНЦ РАН,
Профессор кафедры оптики и нанофотоники
Казанского федерального университета
e-mail: [email protected]
1
Сканирование – построчное перемещение иглы
вдоль поверхности
2
Сканирующий туннельный микроскоп, созданный в КФТИ
Группа А. А. Бухараева
КФТИ 1993 год
Поверхность имплантированного Si
3
Основные методы
сканирующей зондовой микроскопии
в КФТИ
Сканирующая силовая микроскопия
(АСМ, ССМ)
- АСМ в газовой среде,
- АСМ в сверхвысоком вакууме,
- АСМ в жидкости,
- сканирующий резистивный микроскоп,
- сканирующий микроскоп Кельвина,
- магнитно- силовой микроскоп,
- сканирующий микроскоп упругих сил (микроскоп
модуля Юнга),
- сканирующий микроскоп адгезионных сил,
- сканирующий микроскоп сдвиговых сил (shear force
microscopе)
4
Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)
- СТМ для работы в газовой среде,
-СТМ/СТС для работы в сверхвысоком вакууме при
температурах от 25 до 500 К
Сканирующая ближнепольная оптическая
микроскопия
- сканирующий ближнеполевой оптический микроскоп
5
Сверхвысоковакуумный
СЗМ фирмы «Omicron»
Наночастицы Co
на ВОПГ
Лаборатория ФХП
Si(111) 7x7
6
Главные достоинства СЗМ: получение трехмерных изображений с
разрешением до 1 нм; возможность измерения как твердых, так и
мягких образцов в газообразной и жидкой среде; небольшие размеры;
низкое энергопотребление.
СЗМ – Solver P47 (НТ-МДТ)
Лаборатория ФХП
СЗМ – SMENA (НТ-МДТ)
СЗМ позволяет с нанометровой точностью контролировать
качество обработки поверхности металлов и полупроводников
Профиль поверхности Si вдоль
выделенной линии АВ. Глубина
царапины 1.4 нм.
СЗМ изображение поверхности полированной
пластины Si с царапиной. Средняя высота
неровностей 0.4 нм.
Лаборатория ФХП
8
АСМ изображение каталитических наночастиц Pd на
поверхности модифицированного угольного электрода
Морфология
(амплитудное изображение)
Лаборатория ФХП
Фазовое изображение
(фазовый контраст)
9
Поверхность чугуна после интерференционного
лазерного воздействия (Solver P47)
Лаборатория ФХП
10
Специализированный СЗМ Solver-Bio для изучения биологических объектов на
воздухе и в жидкой среде
СЗМ Solver-Bio
Эритроцит на воздухе
Эритроцит в физрастворе
Лаборатория ФХП
Мембрана эритроцита
11
МСМ измерения в магнитном поле
2
1
3
Лаборатория ФХП
12
Пример использования двухпроходной методики
при регистрации магнитного взаимодействия
Лаборатория ФХП
13
Магнитно-силовые изображения
Пленка Со, толщиной 40 нм.
Магнитный контраст характерен
для доменов с горизонтальной
намагниченностью ( в плоскости
образца), разделенных
доменными стенками Нееля.
Лаборатория ФХП
Пленка Со, толщиной 80 нм.
Магнитный контраст характерен
для доменов с вертикальной
намагниченностью
(перепендикулярной плоскости
образца), разделенных
доменными стенками Блоха.
14
СЗМ нанолитография – локальное
анодное окисление пленки Со
Лаборатория ФХП
15
СЗМ нанолитография – получение
магнитных наноструктур
Схема получения планарных металлических наноструктур с
помощью СЗМ нанолитографии и lift-off («взрывной») литографии
Co
Co
16
СЗМ нанолитография с помощью наногравировки
(«наноцарапанье»)
РММА
Лаборатория ФХП
17
АСМ изображения нанополосок (нанопроволок) Со на диоксиде
кремния, полученных с помощью СЗМ нанолитографии
Микронтактные площадки
Лаборатория ФХП
(Bulk) = 9 мкOм*cm 18
 (NW) = 51 мкOм*cm
Многодоменная и однодоменная структура
намагниченности в проволоках Со различной ширины
М
АСМ
Лаборатория ФХП
МСМ
19
Из выше продемонстрированного следует, что в
лаборатории физики и химии поверхности КФТИ
КазНЦ РАН имеется значительный парк СЗМ и
большой опыт использования этих микроскопов при
исследовании различных наноструктур.
Имеющиеся у нас возможности можно и нужно
использовать для подготовки специалистов в области
сканирующей зондовой микроскопии.
20
Четыре этапа в подготовке спецалистов в области
сканирующей зондовой микроскопии наноструктур
На первом этапе для студентов 3-го курса читается два
лекционных спецкурса: «Научные основы нанотехнологий» и
«Атомы и молекулы на поверхности»
В эти спецкурсы в качестве составной части входят разделы, в
которых излагаются принципы работы и описываются
конструкции нескольких типов СЗМ, рассматриваются методы
получения с помощью СЗМ различных данных о наноструктурах,
излагаются основы СЗМ нанолитографии.
Лекции читаются с использованием компьютерного проектора и
презентаций,
с
привлечением
большого
количества
иллюстраций, схем и анимаций, наглядно отражающих работу
СЗМ.
В начале курса лекций студенты получают CD диск, на котором
представлены все презентации, используемые в данном курсе
21
лекций, монографии и обзорные статьи по СЗМ.
Методические и учебные пособия по СЗМ
1)
2)
3)
4)
Учебно-методические пособия
5)
Лаборатория ФХП
Бухараев А.А. / Диагностика поверхности
с помощью сканирующей туннельной
микроскопии. (обзор) // Заводская
лаборатория 1994, N 10 .
Бухараев А.А., Овчинников Д.В.,
Бухараева А.А. / Диагностика поверхности
с помощью сканирующей силовой
микроскопии (обзор) // Заводская
лаборатория, 1997, N5.
Миронов В.Л. Основы сканирующей
зондовой микроскопии, Москва,
Техносфера 2004.
Бухараев А.А., Коновалова О.А., Бизяев
Д.А., Салахов М.Х. / Учебно-методическое
пособие. Атомно-силовая микроскопия
микро- и наноструктур // Казань: КГУ,
2006.
Бухараев А.А., Чукланов А.П., Салахов
М.Х. / Учебно-методическое пособие.
Сканирующая ближнеполевая оптическая
микроскопия микро- и наноструктур //
Казань: КГУ, 2010.
22
На втором этапе подготовки студенты выполняют в КФТИ
несколько работ на СЗМ марки Solver P4 (фирмы НТ-МДТ) в
рамках спецпрактикума «Атомно-силовая микроскопия микрои наноструктур». Solver P4 специально выделен только для
студентов, которые работают на нем в удобное для них время.
В частности, студенты в режиме атомно-силовой микроскопии
получают изображение ядерной трековой мембраны, на
которой хорошо видны следы взаимодействия отдельных
ионов высоких энергий с поверхностью полимера, и
определяют геометрические параметры пор, сформированных
в такой мембране.
Лаборатория ФХП
23
Спецпрактикум – обучение студентов и магистрантов физфака КГУ
практической работе на сканирующих зондовых микроскопах типа
Solver P4 и NanoEducator.
СЗМ – NanoEducator (в КФУ)
СЗМ Solver P4 – рабочее место для
выполнения спецпрактикума.
Один из тестовых образцов - СЗМ
изображение следов взаимодействия
отдельных ионов Bi с поверхностью
диоксида кремния
Лаборатория ФХП
24
Третий уровень подготовки в области СЗМ наноструктур
реализуется уже в рамках магистратуры физфака КФУ. Для
магистрантов читается продвинутый спецкурс «Микроскопия микро- и
наноструктур», в котором уже более детально рассматриваются
различные типы СЗМ и физические основы их работы, которые
позволяют получать различную информацию о наноструктурах.
Проводится анализ достоинств и недостатков СЗМ по сравнению с
электронной, полевой и Оже микроскопией, изучаются принципы
формирования СЗМ изображений и методы
их компьютерной
обработки, рассматриваются
возможные искажения и артефакты,
которые возникают при получении данных с помощью СЗМ и
приводятся методы их устранения. Особое внимание уделяется
различным конкретным примерам использования СЗМ при изучении и
характеризации различных микро- и наноструктур (включая и
биологические).
Выполняется спецпрактикум по сканирующей ближнеполевой
оптической микроскопии (СБОМ) на СЗМ Solver BIO (фирмы НТ-МДТ)
25
Спецпрактикум по СБОМ - восстановления формы кончика
микрозонда
W зонд
Ni зонд
СБОМ
зонд
Сканирующий зондовый микроскоп
Solver BIO (фирмы NT-MDT)
26
Четвертый уровень подготовки Индивидуальная работа со студентами и магистрами КФУ,
которая проводится в лаборатории ФХП КФТИ во время
выполнения ими курсовых, бакалаврских, дипломных и
магистерских работ.
Практически каждый год несколько студентов и
магистрантов КФУ специализируются в области СЗМ в
лаборатории физики и химии поверхности КФТИ.
За последние 5 лет было подготовлено и защищено 5
курсовых, 3 дипломных, 2 бакалаврских и 3 магистерских
работы .
27
Дипломная работа студента Гатиятова Р.Г.
( Медаль Российской академии наук для
молодых ученых РАН и для студентов
ВУЗов)
Достигнута рекордная чувствительность при
измерении магнитострикции в наноструктурах.
С помощью АСМ удалось зарегистрировать
изменение размеров Ni микропроволоки в
магнитном поле всего на 2 нм. (2006 г.)
АСМ SMENA c
электромагнитом
28
Магистерская работа Лебедева Д.В. (Грант У.М.Н.И.К., Грант «50 лучших
инновационных идей РТ»
Разработан метод, позволяющий с помощью специально созданного зонда АСМ
с калиброванным микрошариком измерять с высокой точностью модуль Юнга
биологических объектов, находящихся в жидкой среде. Воздействие химических
и лекарственных препаратов, а также некоторые заболевания сопровождаются
изменением модуля Юнга биообъектов, поэтому разработанный метод может
найти реальное применение в биологии и медицине (2009 г.).
Схема эксперимента
АСМ
Микрозонд с
шариком 5 мкм
4 R * 32
F
E h
3
Зависимость модуля Юнга брюшной аорты
29
крысы от времени при введении в раствор
хлоргекседина
Диссертационные работы, выполненные в
КФТИ с использованием СЗМ
1. Бухараев А.А. (1999 г.) д.ф.-м.н. «Сканирующая зондовая
микроскопия микро- и наноструктур, сформированных на
поверхности кремния и диоксида кремния».
2. Овчинников Д.В. (2002 г.) к.ф.-м.н. «Разработка методов
анализа изображений, полученных с помощью магнитного
силового микроскопа».
3. Нургазизов Н.И. (2004 г.) к.ф.-м.н. «Изучение радиационностимулированного растворения диоксида кремния с помощью
атомно-силового микроскопа».
4. Чукланов А.П. (2007 г.) к.ф.-м.н. «Исследование химически
модифицированной поверхности кремния, нанокатализаторов
и оптических структур методами сканирующей зондовой
микроскопии».
5. Гатиятов Р.Г. (2010 г.) к.ф.-м.н. «Магнитосопротивление и
особенности электронного транспорта в никелевых
наноконтактах».
30
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В основе успешной подготовки специалистов в области
СЗМ лежит использование опыта и знаний сотрудников
РАН, занимающихся исследованиями наноструктур с
помощью СЗМ и не жалеющих своего времени на
преподавательскую деятельность.
Очевидно, дальнейшее сотрудничество КФТИ КазНЦ РАН и
КФУ в этом направлении позволит повысить уровень
необходимых
для
подготовки
специалистов,
так
современной наноиндустрии.
31
Сотрудники лаборатории физики и
химии поверхности КФТИ,
принимающие участие в обучении
работе на СЗМ:
Чукланов А.П. – нс, к.ф.-м.н.
Бизяев Д.А. – нс
32
Спасибо за внимание!
33