Сканирующая зондовая микроскопия — это метод исследования поверхности, основанный на взаимодействии
микрозонда (кантилевера в случае АСМ) с поверхностью образца. Микрозонд или кантилевер (англ. — балка)
представляет собой кремниевую пластинку (3х1.5х0.3 мм) с торчащей из торца балкой (как прямоугольной, так
и треугольной формы), — на конце балки находится шип, конец которого и зондирует поверхность.
 |
| Атомно-силовой микроскоп.
| | | |
|
Кантилеверы разделяются на жёсткие и мягкие, — по длине балки, а характеризуется это
резонансной частотой колебаний кантилевера. Процесс сканирования микрозондом поверхности может происходить как
в атмосфере или заранее заданном газе, так и в вакууме, и даже сквозь плёнку жидкости. СЗМ измеряет как
нормальное к поверхности отклонение зонда (субангстремное разрешение) так и латеральное — одновременно.
Для детектирования отклонения используется полупроводниковый лазер с длинной волны 670 нм и оптической
мощностью 0,9 мВт. Лазерный луч направляется на обратную к по отношению к поверхности сторону
кантилевера (на самый кончик), которая покрыта специальным алюминиевым зеркальным слоем для наилучшего отражения,
и отраженный луч попадает в специальный четырёхсекционный фотодиод. Таким образом, отклонения кантилевера
приводят к смещению луча лазера относительно секций фотодиода, — изменение разностного сигнала
с фотодиода и будет показывать амплитуду смещения кантилевера в ту или иную сторону. Такая система
позволяет измерять отклонения лазера в угле 0,1", что соответствует отклонению кантилевера
на угол 2•10–7 рад.
Сканирование поверхности может происходить двумя способами, —
сканирование кантилевером и сканировение подложкой. Если в первом случае движения вдоль исследуемой поверхности
совершает кантилевер, то во втором относительно неподвижного кантилевера движется сама подложка. Для сохранения
режима сканирования, — кантилевер должен находиться вблизи поверхности, — в зависимости
от режима, — будь то режим постоянной силы, или постоянной высоты, существует система, которая
могла бы сохранять такой режим во время процесса сканирования. Для этого в электронную схему микроскопа
входит специальная система обратной связи, которая связана с системой отклонения кантилевера от первоначального
положения. Уровень связи (рабочая точка) кантилевер—подложка задается заранее, и система обратной связи
отрабатывает так, чтобы этот уровень поддерживался постоянным независимо от рельефа поверхности, а сигнал,
характеризующий величину отработки и является полезным сигналом детектирования.
Образец (поверхность) и кантилевер
сближаются с помощью шагового двигателя до тех пор пока поверхность и кантилевер не начнут
взаимодействовать, что приведёт к такому смещению лазерного луча на секциях фотодиода,а значит к такому
разностному току, что обратная связь прекратит сближение.
Кантилевер непосредственно связан с четырёхобкладочной
пьезотрубкой, подавая напряжение на противоположные обкладки, можно соответственно менять изгиб трубки, а значит
и область сканирования кантилевера (горизонтальтное отклонение пьезотрубки) вдоль соответственно оси абсцисс и оси
ординат. Внутри трубки находиться также пьезоэлемент, который отвечает за смещение кантилевера вдоль нормали
к поверхности, то есть оси аппликат. При сканировании поверхности задается рабочая точка, физический смысл которой есть
величина выдвижения пьезотрубки по отношению в максимальной амплитуде (обычно около 50 %). Обратная связь
отрабатывает величину выдвижения пьезотрубки для поддержания режима (постоянной силы или постоянной высоты, в случае
СТМ — постоянного туннельного тока) сканирования. В случае сканирования подложкой такая система присоединена
к подложке.
Существуют контактный, безконтактный и полуконтактный или резонансный режимы сканирования поверхности. Контактный
метод заключается в том, что кантилевер непосредственно касается поверхности и повторяет её форму по мере
прохождения поверхности. Бесконтактный и полуконтактный режим характеризуются дополнительным условием сканирования,
которое позволяет осуществить более щадящее и более тонкое сканирование поверхности. Кантилевер жестко связывается
с отдельным пъезоэлементом и колеблется со своей резонансной частотой. При взаимодействии с поверхностью
сбивается фаза, и специальный синхронный детектор старается выровнять частоту с помощью сигнала обратной связи.
Таким образом, теперь детектируется кроме отклонения амплитудного также отклонение фазовое. В этом режиме кантилевер
как бы постукивает по поверхности.
|
|  |
|
