СИСТЕМНИЙ ПІДХІД ДО СТВОРЕННЯ ЗОНДОВИХ СКАНУЮЧИХ МІКРОСКОПІВ

Залежно від використовуваного фізичного ефекту взаємодії зонда- голки з досліджуваної поверхнею розрізняють скануючі тунельні мікроскопи (СТМ) та атомно-силові мікроскопи (ACM). Також розвиваються і інші конструкції, наприклад, блізкопольние скануючі мікроскопи. Всі вони об'єднані загальною назвою -

скануючі зондові мікроскопи.

Таким чином, скануючий зондовий мікроскоп (СЗМ) являє собою прилад, який надає можливість досліджувати властивості поверхні в субмікронних діапазоні і на атомарному рівні.

Відомі конструкції скануючих зондових мікроскопів складаються з наступних основних елементів:

• ? сенсор;
• ? п'єзоелектричні двигуни і (або) датчики;
• ? пристрій управління - електронна ланцюг зворотного зв'язку;
• ? пристрій обробки і індикації інформації.

Наведемо коротку характеристику цих елементів.

Сенсори

Основними типами сенсорів є тунельний і атомно-силової.

Тунельний сенсор являє собою зонд - металеве вістря з малим радіусом заокруглення на основі одиночних атомів або навіть з останнім атомом на вістрі (рис. 7.6).

Коли таке вістря підводиться до поверхні на відстань Ю А, то при додатку між вістрям і зразком невеликого напруги зсуву Г, (0,0! -10 В), через вакуумний проміжок d починає протікати тунельний струм /, порядку КГ ⁹ пА. Електрони з зразка туннелируют через тунельний проміжок в голку або, навпаки, в залежності від знака прикладеної напруги зсуву. Вважаючи, що електронні стану (орбіталі) локалізовані на кожному атомному ділянці, при скануванні поверхні зразка в напрямку х або у з одночасним вимірюванням вихідного сигналу в ланцюзі г можна отримати картину поверхневої структури на атомному рівні. Ця структура може бути відображена в двох режимах:

• ? вимірюючи тунельний струм і підтримуючи відстань d від вістря до поверхні зразка;
• ? вимірюючи зміни в положенні вістря (т. е. відстань до поверхні зразка) при постійному тунельному струмі (цей режим використовується частіше).

Таким чином, тунельний струм використовується як механізм для отримання картини досліджуваної поверхні. Для його виникнення необхідно, щоб зразок і голка були провідниками, або напівпровідниками.

Як мікроострія можуть виступати окремі атоми на зонді (атомно-силової сенсор). У зв'язку з цим такий сенсор є ідеальним зондом для вивчення рельєфу поверхні в атомарному масштабі.

В атомно-силовому мікроскопі використовується механічний зонд кантилевер - V- або L- образна консоль, на кінці якої укріплено пірамідальне вістря. Кантілевери виробляються з кремнію (жорсткі) або з нітриду кремнію (м'які).

В процесі переміщення кантільовери уздовж поверхні на нього діють сили, які відхиляють кантилевер від положення рівноваги (рис. 7.7). Відповідно до закону Гука співвідношення між діючою на кантилевер силою F _u і відхиленням х задається наступним виразом:

де до - коефіцієнт жорсткості (до - 1 Н / м).

Мал. 7.7. Схема деформації кантільовери в процесі сканування

Мал. 7.6. Голка на вільному кінці кантільовери

Для реєстрації малих механічних переміщень використовується оптичний латчік зсувів, що складається з напівпровідникового лазера і квадрантного (чотирьохсекційного) фотодіода (рис. 7.8). Випромінювання напівпровідникового лазера з довжиною хвилі 650 670 нм фокусується об'єктивом в пляма діаметром -5 мкм на поверхні, що відбиває кантільовери. Відбитий промінь потрапляє на квадрантний фотодстектор.

Мал. 7.8. Принцип роботи силового сенсора з оптичним датчиком зсувів

Вертикальне відхилення реєструється по разностному сигналу ( А + С) - (В + D), а крутильна деформація формує сигнал (А + В) - (С + D).