Сканирующая зондовая микроскопия
м
изгибе кантилевера.
2.2.3 Вибрационные и модуляционные методы измерений
На базе различных принципов зондовой микроскопии были разработаны
многочисленные методы получения информации о свойствах поверхности,
использующие вибрацию зонда или образца или модуляцию параметра.
Использование вибрации или модуляции на достаточно высокой частоте
позволяет, с одной стороны, регистрировать дифференциальные характеристики,
поддерживая постоянные средние значения величин, а с другой стороны -
значительно уменьшать величины шумов с частотной зависимостью 1/f(где f -
частота) за счет переноса спектра сигнала из области вблизи 0 Гц в область
высоких частот.
В числе общих преимуществ отдельных вибрационных методов можно назвать, во-
первых, использование резонансных свойств системы, что позволяет
существенно повысить чувствительность по сравнению со статическим
измерением, а во-вторых, уменьшение сил взаимодействия, в частности,
боковых, между зондом и поверхностью в бесконтактном (полуконтактном)
режимах. В СТМ-режиме вибрация образца или иглы позволяет модулировать
туннельный зазор и, детектируя изменения туннельного тока, получать сигнал
dI/dz, дающий информацию о локальной высоте потенциального барьера для
электронов (локальной работе выхода). Модуляция туннельного напряжения u в
СТМ - режиме позволяет регистрировать сигнал dI/dz, определяемый локальной
спектральной плотностью состояний.
В АСМ режиме вибрация образца и регистрация амплитуды отклика кантилевера
дает информацию о локальной жесткости образца. Детектирование амплитуды
и/или фазы колебаний кантилевера, возбуждаемого ньезоэлементом, позволяет
сканировать в бесконтактном и полуконтактном режиме рельеф поверхности даже
таких образцов, которые нельзя исследовать в контактном режиме ввиду того,
что они легко деформируются или разрушаются иглой кантилевера. Эти режимы
позволяют также использовать кантилеверы с тонкими и очень острыми иглами,
которые в контактном режиме сами легко разрушаются.
1.2.3.1 СТМ-методы
Режим измерения локальной высоты барьера
В режиме измерения локальной высоты потенциального барьера для
туннелирующих элекронов, которую можно с некоторой натяжкой называть
локальной работой выхода, сигнал модуляции прикладывается к 2-обкладкам
пьезотрубки. Обратная связь в процессе сканирования поддерживает
низкочастотную составляющую туннельного тока постоянной. При этом
регистрируется амплитуда высокочастотных колебаний туннельного тока,
модуляцией туннельного промежутка из-за вызванных вибраций пьезотрубки.
В приближении простейшей одномерной модели туннелирования электрона через
прямоугольный потенциальный барьер высотой Fi, зависимость туннельного тока
I от ширины барьера z выражается экспоненциальным множителем
Дифференцированием этого множителя получаем;
и,следовательно
т.е. производная туннельного тока по ширине туннельного зазора,
нормированная на сам туннельный ток, дает информацию о локальной высоте
потенциального барьера. Так как среднее значение туннельного тока в
процессе сканирования поддерживается постоянным, и амплитуда вибрации
пьезотрубки не меняется, то полученная в результате сканирования картина
распределения амплитуды колебаний туннельного тока как раз и содержит
информацию о распределении величины Fi , и, следовательно, о химических
свойствах поверхности. Реальная ситуация не столь проста, и амплитуда
колебаний туннельного тока зависит еще от геометрии поверхности, от состава
адсорбатов которые искажают форму потенциального барьера и кроме того, при
измерениях на воздухе из-за наличия адсорбатов между иглой и поверхностью
всегда существует заметная сила отталкивания, т.к. игла должна "продавить"
слой адсорбата, прежде чем возникает заметный туннельный ток.
Это приводит к зависимости результатов измерений от локальной жесткости
образца Так, в местах, где жесткость образца ниже, вибрация приводит в
большей степени к деформации самого образца, а не к деформации адсорбата и
изменению туннельного зазора. Амплитуда модуляции туннельного тока
уменьшается, создавая впечатление относительно пониженной работы
выхода.Этот эффект следует учитывать при интерпретации результатов.
Режим спектроскопии
В режиме спектроскопии модулируется туннельное напряжение и между образцом
и иглой, и регистрируется амплитуда отклика туннельного тока на эту
модуляцию. При этом постоянная составляющая туннельного напряжения остается
неизменной, и обратная связь поддерживает постоянное среднее значение
туннельного тока. Таким образом, результат измерения представляет собой
производную dI/dU в заданной точке вольт-амперной характеристики. Поскольку
форма вольт-амперной характеристики опрелеляется в первую очередь
энергетическим спектром объемных и поверхностных электронных состояний иглы
и образца, этот режим и получил название режима спектроскопии.
В режиме спектроскопии, как и в режиме измерения локальной высоты барьера,
важно, чтобы обратная связь успевала с высокий точностью поддерживать
постоянным среднее значение I (если усилитель работает не в логарифмическом
режиме), поскольку на многих образцж изменение среднего значения I из-за
неровностей рельефа может привести к гораздо большим отклонениям амплитуды
колебаний туннельного тока, чем изменение свойств поверхности.
2.2.3.2 АСМ-методы
К числу вибрационных методов АСМ относятся бесконтактный, полуконтактный
режим и режим локальной жесткости.
Бесконтактным режим
Бесконтактный режим обеспечивает измерение Ван-дер-Ваальсовых электронных,
магнитных сил вблизи поверхности, причем сила взаимодействия может быть
очень малой (порядка 10-12Н), что позволяет исследовать очень
чувствительные или слабо связанные с поверхностью объекты, не разрушая, и
не сдвигая их.
Вкладыш - держатель кантилевера (Рис.9) содержит пьезокерамическую
пластинку, вибрации которой передаются кантилеверу и возбуждают его
колебания на требуемой частоте, которая во всех разновидностях этого метода
выбирается в пределах одного из резонансных пиков на амплитудно-частотной
характеристике (АЧХ).
Рис. 9
Возбуждающий сигнал формируется цифровым синтезатором, содержащим
высокостабильный кварцевый генератор, что позволяет поддерживать частоту
сигнала с относительной точностью не хуже 10-5-10-6. Переменная
составляющая сигнала с четырехсекционного фотодиода, обусловленная
колебаниями кантилевера, усиливается и попадает на вход синхронного
детектора, который можно формировать:
- сигнал, пропорциональный амплитуде основной частоты или одной из
гармоник.
- сигнал сдвига фазы (колебаний кантилевера относительно возбуждающего
сигнала.
- либо сигнал произведения амплитуды на зт или соб сдвига фазы. Любой из
перечисленных сигналов может быть включен в петлю обратной связи.
Вблизи поверхности образца вибрирующий с малой амплитудой кантилевер
попадает в неоднородное силовое поле. Наличие градиента силы приводит к
частотному сдвигу резонансного пика. Поэтому в случае возбуждения сигналом
фиксированной частоты амплитуда и фаза колебаний кантилевера в неоднородном
поле меняется.
Если обратная связь в процессе сканирования меняет положение зонда по
нормали к образцу поддерживая амплитуду, либо фазу колебаний кантилевера
постоянной (режим топографии),то результатом записи сигнала на выходе ОС в
процессе сканирования является поверхность постоянного градиента силы.
Можно регистрировать изменения амплитуды либо фазы колебаний в процессе
сканирования, не меняя расстояние между зондом и основанием образца (режим
постоянной высоты). Возможен также режим, предусматривающий предварительное
сканирование, топографии в контактном или полуконтактном режиме, после чего
производится повторное сканирование по тому же участку с поддержанием
заданного удаления зонда от поверхности в каждой точке сканирования с
регистрацией амплитуды либо фазы. Этот режим позволяет отделить информацию
о магнитных и электрических свойствах поверхности от топографических данных
, т.к. Вандер-Ваальсово притяжение кантилевера и поверхности остается
практически неизменным при повторном сканировании, поскольку расстояние
между зондом и поверхностью не меняется, и, значит изменение амплитуды и
фазы колебаний вызываются другими дальнодействующими силами -
электрическими либо магнитными.
Минимально возможное расстояние между иглой кантилевера и поверхностью
образца в бесконтактном режиме определяется, с одной стороны, свойствами
иглы кантилевера и поверхности, а с другой стороны - жесткостью балки
кантилевера. Если по мере приближения зонда к поверхности по достижении
некоторого расстояния между ними окажется, что градиент силы притяжения
иглы к образцу превысил жесткость балки кантилевера, то кантилевер
"прилипнет" к поверхности. Поэтому минимальная рабочая дистанция должна
превышать это критическое расстояние. Наиболее значительной причиной
притяжения являются, как правило, капиллярные эффекты, которые, к тому же,
обладают большим собственным гистерезисом Но и в отсутствие капиллярных
явлений, например, в случае несмачиваемых поверхностей, эффект "залипания"
может наблюдаться из-за электростатических, магнитных и даже Ван-дер-
Ваальсовых сил притяжения. Поэтому чем вы те жесткость кантилевера тем
меньше
| |  скачать работу |
Сканирующая зондовая микроскопия |
