Сканирующая зондовая микроскопия
ейсную
плату записывается в память компьютера и интерпретируется как рельеф
образца. Сила прижима кантилевера к образцу выставляется при начальной
юстировке фотодиода. Дополнительный блок установки смещения обеспечивает
возможность изменения силы прижима в подведенном положении. При этом
обратная связь обеспечивает поддержание разностного сигнала. Дистанционная
регулировка силы увеличивает удобство работы с прибором. (При отклонении
разностного сигнала от нуля начинают проявляться шумы интенсивности
лазера. Поэтому нужно осторожно применять электронную регулировку силы на
образцах с малым рельефом, например, при достижении атомарного разрешения
Точность работы применяемой здесь интегральной обратной связи зависит от
петлевого коэффициента усиления. Достижение максимальных скоростей
сканирования требует быстрой работы обратной связи. Для увеличения
скорости отработки обратной связью сигнала ошибки выгодно ставить
максимальный коэффициент петлевого усиления. Но при слишком большом
коэффициенте усиления может быть достигнут порог генерации. Работа вблизи
порога генерации характеризуется большими переколебаниями и поэтому
точность падает. С друюи стороны при слишком малых коэффициентах усиления
обратная связь не успевает отслеживать резкие изменения рельефа, что также
снижает точность измерений. Поэтому существует оптимальный коэффициент
усиления для каждой системы зонд-образец, который обеспечивает
максимальную точность работы обратной связи и достоверность данных.
На петлевой коэффициент усиления влияет несколько причин. В зависимости
от применяемого кантилевера при прочих равных параметрах он может
изменяться в несколько раз. Коэффициент усиления изменяется обратно
пропорционально длине кантилевера, и следовательно, чем кантилевер
короче, тем выше коэффициент передачи. Кроме того, коэффициент усиления
может заметно изменяться в зависимости от юстировки кантилевера.
Оператор может контролировать петлевой коэффициент усиления регулировкой
усилителя с изменяемым коэффициентом усиления в интеграторе.
При больших значениях петлевого усиления генерация возникает на частотах
первого резонанса пьезосканера. Для сканера с полем 11х11 мкм2- примерно
10 кГц, с полем 25Х25 мкм2 около 7,5 кГц. Частота генерации зависит от
массы образца. Для устранения генерации достаточно уменьшить коэффициент
усиления регулируемого усилителя. При этом амплитуда автоколебаний будет
уменьшаться без изменения частоты.
При наличии большого трения между образцом и иглой также может возникать
другой вид генерации.
Для него характерно, что при уменьшении коэффициента усиления в петле
обратной связи, частота уменьшается без изменения амплитуды, причем
может достигать долей герца, но тем не менее генерация всегда
присутствует. Избежать этого вида генерации можно уменьшением силы
трения за счет уменьшения силы взаимодействия или использованием
коротких кантилеверов. При сканировании амплитуда генерации значительно
падает, поэтому во многих случаях ее присутствие практически не
сказывается на качестве изображения.
На полученном в результате сканирования изображении могут присутствовать
сбои, имеющие вид отдельных линий в направлении сканирования,
отличающихся по высоте от общего рельефа. Они вызваны тем, что игла
цепляется за неровности рельефа и затем проскальзывают по образцу или
тем. что игла частично разрушает образец. Избежать таких сбоев можно
подбором направления сканирования, уменьшением силы прижима, уменьшением
скорости сканирования. Выбор направления сканирования в различных
режимах связан с тем, что кантилевер по-разному ваимодействует с
возникающими изменениями рельефа. При сканировании в положительном
направлении (+Y) можно считать, что кантилевер движется снизу вверх
относительно изображения поверхности на мониторе (на самом деле
сканирование осуществляется образцом, который движется в обратном
направлении). При этом он наезжает на препятствия пологим склоном иглы и
при этом преодолевает их. При таком варианте сканирования сбои - срывы
кантилевера возникают реже. Если же он наезжает на препятствия стороной
под углом 75, то он значительно чаще цепляется за неровности и чаще
возникают сбои на изображении. Вообще, в зависимости от образца
необходимо подбирать направление сканирования. В части случаев
оказывается выгодным сканировать на +Х или -X, например, при снятии
изображения боковых сил. На изображении могут возникать характерные
следы связанные с особенностями рельефа в направлении быстрого
сканирования, обусловленные конечной скоростью работы обратной связи. Их
величина зависит от скорости сканирования, петлевого коэффициента
усиления, характера рельефа. Если во время сканирования регистрировать
сигнал ошибки обратной связи, то эти отклонения будут хорошо видны.
Получившееся изображение содержит практически всю потерянную при снятии
топографии информацию. Используя результаты сканирования в режиме топо-
графии и в режиме регистрации ошибки обратной связи, можно точнее
восстанавливать топографию поверхности.
2.2.2.3 Режим снятия изображения сил.
Работа АСМ с использованием обратной связи приводит к увеличению уровня
шумов, частичной потере информации о топографии поверхности или
ограничению скорости сканирования. В некоторых случаях оказывается
полезным использование режима сканирования при котором обратная связь
отключается, положение пьезосканера по Z фиксируется, а регистрируемым
сигналом становится непосредственно сигнал расcогласования в фотодиоде.
Это режим постоянной высоты (Z=соnst). В этом случае сила прижатия
кантилевера к поверхности изменяется в процессе сканирования, Однако,
если образец достаточно жесткий, получаемое изображение хорошо отражает
топографию поверхности. Используя результаты снятия зависимости прогиба
кантилевера от расстояния между зондом и образцом, можно пересчитать
регистрируемый ток в линейные размеры. Однако нужно помнить, что при
больших отклонениях от нулевого положения зависимость разностного
сигнала рассогласования от перемещения зонда становится нелинейной.
Примерный диапазон линейности зависит от кантилевера: чем короче
кантилевер, тем меньше диапазон. Динамика отслеживания поверхности в
этом режиме ограничена частотными свойствами кантилевера, а не обратной
связи. Резонансные частоты кантилеверов значительно выше характерной
частоты обратной связи, которая составляет единицы килогерц. Это дает
возможность сканировать с более высокими скороcтями
1.2.2.4 Режим регистрации ошибки обратной связи.
Ошибка обратной связи, возникающая при сканировании в режиме топографии,
содержит дополнительную информацию о топографии. Она может быть
использована для более точного восстановления рельефа.
Однако этот режим можно рассматривать как промежуточный между режимом
постоянной силы и постоянной высоты, если отрегулировать скорость
отработки обратной связи так, чтобы она отслеживала пологие изменения
рельефа и не успевала отслеживать крутые. Тогда во время пересечения
зондом небольших неоднородностей сканирование будет происходить при
почти постоянной длине пьезосканера. В результате на изображении будут
слабо проявляться медленные изменения рельефа и с высоким контрастом -
резкие. Это может быть полезно для отыскания мелких неоднородностей
на большом поле на фоне крупных пологих особенностей рельефа.
1.2.2.5 Измерение боковых сил
Во время сканирования по +Х или -X возникает дополнительная крутильная
деформация кантилевера. Она обусловлена моментом сил, действующих на
острие иглы. Угол кручения при небольших отклонениях пропорционален
боковой силе. Измерительная система микроскопа позволяет регистрировать
кручение кантилевера. Луч лазера, отраженный от кантилевера, получает в
этом случае дополнительное смещение в боковом направлении (Рис.6). В
этом случае регистрируется сигнал (А+В) - (С+D). Для измерения боковых
сил АСМ работает в режиме поддержания постоянной силы, т.е. как при
снятии топографии.
При движении по плоской поверхности, на которой присутствуют участки с
разным коэффициан-том трения, угол кручения будет изменяться от участка
к участку (Рис.7).
Рис.7
Это позволяет говорить об измерении локальной силы трения. Если
присутствует рельеф, то такая интерпретация невозможна (Рис, 8).
Рис.8
Тем не менее, этот вид измерений позволяет получать изображения, на
которых хорошо видны мелкие особенности рельефа, и облегчать их поиск. В
режиме измерения боковых сил легко получать атомарное разрешениена слюде и
некоторых других слоистых материалах.
Следует отметить, что при измерении топографии с атомарным разрешением
получается атомарный рельеф до нескольких ангстрем, тогда как реальный
рельеф составляет доли ангстрема. Такая большая величина рельефа
объясняется влиянием крутильной деформации кантилевера из-за неидеальности
регистрирующей системы - кручения кантилевера воспринимается как его
продольный изгиб. Это возникает например даже при очень небольшом угле
поворота фотодиода относительно направления движения луча при продольно
| |  скачать работу |
Сканирующая зондовая микроскопия |
