Другие виды сканирующих зондовых микроскопов Лекция 4 Серцова

Другие виды сканирующих зондовых микроскопов Лекция 4 Серцова А. А.

Многопроходные методики Многопроходные Методики обычно используются в задачах, где необходимо определять иные, чем рельеф данные, и при этом необходимо исключить влияние рельефа поверхности

Электросиловая микроскопия В электросиловой микроскопии для получения информации о свойствах поверхности используется электрическое взаимодействие между зондом и образцом

Емкостная микроскопия Емостная сила взаимодействия зонд-образец (или скорее ее производная) приводит к сдвигу резонансной частоты. Соответственно амплитуда колебаний кантилевера уменьшается и фаза его колебаний сдвигается. При этом и амплитуда и фаза колебаний могут быть измерены и использованы для отображения распределение электрического потенциала по поверхности образца Емкостная сила взаимодействия между зондом и поверхностью образца, находящейся при потенциале Vs , равна Fcap(z) =(1/2) (Vtip - Vs)2(d. C/dz)

Метод зонда Кельвина Метод Зонда Кельвина был предложен для измерения контактной разности потенциалов между зондом и образцом В течение этого второго прохода колебания кантилевера возбуждаются не механически, а электрически путем приложения к зонду напряжения смещения Vtip содержащего статическую и динамическую компоненты Fcap =(1/2) (Vtip - Ф(x))2(d. C/dz)

Магнитно-Силовая Микроскопия является эффективным средством исследований магнитных структур на субмикронном уровне. Магнитный зондовый датчик в МСМ это стандартным кремниевым зондовый датчик, покрытым пленкой из магнитного материала. МСМ измерения позволяют проводить исследования магнитных доменных структур с высоким пространственным разрешением, записи и считывания информации в магнитной среде, процессов перемагничивания и т. д.

Магнитно-Силовая Микроскопия

Статическая МСМ В статической МСМ на втором проходе регистрируется отклонение неколеблющегося кантилевера. Это отклонение обусловлено магнитным взаимодействием зонда с образцом (подобно взаимодействию, регистрируемому в Контактном Методе). Величина магнитной силы, действующей на зонд, может быть определена путем умножения отклонения кантилевера на величину его жесткости. Вследствие малой величины магнитного зонда его можно рассматривать как точечный магнитный диполь. В этом приближении сила F равна: F = (m grad) H где m – эффективный магнитный момент зонда, H – поле рассеяния образца

Динамическая МСМ В динамической МСМ на втором проходе для детектирования магнитного поля используется колеблющийся с резонансной частотой кантилевер (как при использовании Бесконтактного или Прерывисто-контактного методов). В динамической МСМ детектируется производная магнитной силы: производная силы в приближении точечного диполя может быть представлена в виде: F' = n grad(n F) n – единичный вектор нормали к плоскости кантилевера.

Динамическая МСМ Рельеф (слева) и МСМ изображение (справа) ферромагнитных островков в парамагнитной пленке. Магнитное изображение выглядит как массив субмикронных магнитных диполей. Светлые и темные участки соответствуют различным магнитным полюсам диполей. Накопители информации, изготовленные на основе массивов из магнитных диполей, являются одними из наиболее перспектиных видов запоминающих устройств.

Динамическая МСМ Пленка Tb. Gd. Fe. Co толщиной 180 нм была осаждена на стеклянную подложку с 100 нм хрома при температуре 200ºС и давлением 4 х10 -3 Торр в аргоне с использованием магнетронного распыления. Похожие многослойные пленки были использованы в сгущении Бозе-Эйнштейна рубидиевых атомов на атомном чипе. Размер: 20 x 20 um

Статическая МСМ Слева рельеф, справа распределение производной магнитной силы для одинаковых участков монокристаллического кобальта с сильной перпендикулярной магнитной решеточной анизотропией. Справа изображение соответствует отклонению виброустойчивого кантилевера. На магнитном изображении можно наблюдать закрытые домены в форме цветов.

Распределение магнитных полей на поверхности жесткого диска Это стандартная тестовая задача для проверки работоспособности МСМ перед проведением реальных измерений. На сканах приведена топография (слева) и распределение намагниченности (справа) компьютерного жесткого диска.

Литография Исторически, литография (с др. греч. λίθος — камень и γράφω — пишу, рисую) - это способ печати, при котором краска под давлением переносится с плоской печатной формы на бумагу В более современном «виде» литография – это планарная технология, заключающаяся в формировании в активночувствительного слоя, нанесенного на поверхность подложек, рельефного рисунка и последующего переноса этого рисунка на подложки. Применяется при изготовлении полупроводниковых приборов, интегральных микросхем, а также некоторых сверхпроводниковых наноструктур.

Литография Существует два способа проведения нанолитографии – векторный и растровый. Векторный – более быстрый способ, но он не позволяет изменять силу воздействия. Растровый – более медленный, но можно варьировать силу воздействия

СТМ литография С помощью СТМ можно производить ряд нанолитографических операций: модификацию поверхности, перенос материала зонда на образец, перенос материала образца на зонд. Возможности СТМ литографии: создание запоминающих сред, создание литографических рисунков с нанометровым разрешением, манипулирование молекулами и отдельными атомами, наносборка миниатюрных устройств и т. п.

СТМ литография Пленка ЛБ C 18 H 37 BEDTTTF (три монослоя) после локального воздействия трех электрических импульсов (длительность t=15 мс, напряжение U=5 В, расстояние между импульсами S=1 нм). Кратерообразные дефеты глубиной в один монослой хорошо заметны. Размер: 256 x 256 nm

АСМ литография Атомно-силовой микроскоп позволяет осуществлять непосредственное силовое воздействие зонда на поверхность образца. Это может производиться двумя путями – статическим воздействием (Наногравировка) и динамическим воздействием (Наночеканка) Наногравировку проводят с использованием контактной силовой микроскопии Наночеканку проводят с использованием полуконтактной силовой микроскопии (метод колеблющегося зонда)

АСМ Литография (Гравировка) Применение наногравировки нанолитографической операции преимуществ: в качестве обладает рядом - по сравнению с электронно- и ионно-лучевой литографиями не вносятся глубокие нарушения в подложку, - нет необходимости применения дополнительных технологических операций, таких как травление подложки. - простая и дешевая технология.

АСМ Литография (Гравировка) Гравировка с использованием методов сканирующей зондовой микроскопии позволяет осуществлять наногравировку (нанолитографию) с нанометровым разрешением При осуществлении наногравировки с использованием обычной контактной силовой микроскопии зонд микроскопа перемещается по поверхности подложки с достаточно большой силой прижима, так что на подложке (или на лежащем на ней слое резиста) формируется рисунок в виде углублений (царапин).

АСМ Литография (Чеканка) АСМ гравировка имеет ряд недостатков: при формировании наноканавки статическим воздействием зонда случайные торсионные изгибы кантилевера приводят к краевым неоднородностям рисунка, предварительное и последующее после нанолитографической операции сканирования приводят к сдвиговым искажениями рисунка Метод «Чеканки» свободен от сдвиговых искажающих воздействий, решает проблему торсионных искажений и позволяет производить визуализацию сформированного рисунка без серьезного воздействия на поверхность подложки или резиста.

АСМ Литография (Чеканка) Поликарбонатная пленка

Анодно-Окислительная Литография Портрет Мэрлин Монро. Анодно окислительная литография была проведена на пленке Ti полуконтактным методом.

Анодно-Окислительная Литография Размер: 8 x 8 um Размер: 3. 2 x 0. 02 um

Примеры АСМ литографии

Сканирующая оптическая микроскопия Дифракционный предел Аббе: λ = 550 нм n = 2 α = π/2 L = 120 нм Решение: - Конфокальная микроскопия - Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ)

Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ) В основе работы данного прибора используется явление прохождения света через субволновые диафрагмы (отверстия с диаметром много меньше длины волны падающего излучения) Прохождение света через отверстие в экране с субволновой апертурой

Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ) Ближнепольное изображение формируется при сканировании исследуемого образца диафрагмой с субволновым отверстием и регистрируется в виде распределения интенсивности оптического излучения в зависимости от положения диафрагмы I( x, y ). Контраст на СБОМ изображениях определяется процессами отражения, преломления, поглощения и рассеяния света, которые, в свою очередь, зависят от локальных оптических свойств образца.

Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп A - область ближнего поля (h << λ) B - область дальнего поля (h ≥ λ) C - лазерное излучение D - оптическое волокно E - металлическое покрытие оптического волокна F - апертура (d << λ) G - образец Ближнее поле h < 100 А эванесцентные (не распространяющихся) моды

Метод контроля расстояния «зонд-образец» в СБОМ «Shear-force» (неоптическая схема) – схема контроля подвода зондового датчика к образцу на расстояние менее 10 нм. Зонд СБОМ крепится к кварцевому резонатору с помощью клея. Вынужденные колебани камертона на частоте, близкой к резонансной частоте системы зонд – кварцевый резонатор, возбуждаются с помощью дополнительного пьезовибратора. При этом зонд совершает колебательное движение параллельно поверхности образца. Измерение силы взаимодействия зонда с поверхностью производится посредством регистрации изменения амплитуды и фазы изгибных колебаний кварцевого резонатора на частоте возбуждения.

Зонды для СБОМ Наиболее широкое применение нашли СБОМ с зондами на основе оптического волокна, представляющего собой аксиально-симметричный оптический волновод из материалов с отличающимися показателями преломления Коэффициенты преломления сердцевины и оболочки различаются на величины порядка 1%

Зонды для СБОМ Изготовление СБОМ зондов на основе оптического волокна: (а) –химическое травление волокна; (б) – вид кончика волокна после травления; (в) – напыление тонкой пленки металла. Оптимальный угол при вершине зондов составляет порядка 20º

Зонды для СБОМ Изображение кончиков одномодовых волоконно-оптических световодов на разных стадиях химического травления

Зонды для СБОМ Второй способ изготовления зондов для СБОМ - механическая вытяжка разогретого до вязкотекучего состояния локального участка волокна Процесс лазерной вытяжки можно условно разделить на 4 основные стадии: 1) относительно длительный нагрев волокна, при котором не происходит заметных изменений диаметра, время – от начала отсчета и до момента t ≈ 0. 15 с; 2) небольшое плавное утончение разогретой части, время t ≈ 0. 15 - 0. 23 с; 3) быстрое уменьшение диаметра при максимальном разогреве материала волокна в фокусе сферического зеркала t ≈ 0. 23– 0. 26 с; 4) разрыв с образованием острия

Сканирующая оптическая микроскопия ДНК Плазмоид DNA p. Gem 7 zf+ (Promega) linearized with the Sma. I endonuclease. Линейные ДНК молекулы (3000 b. p. ) осаждены на свежерасщепленной слюде. Молекулы равномерно распределены по всей поверхности с плотностью - 0, 5 -7 молек. /пм 2. Размер: 1. 3 x 1. 3 nm

Конфигурации СБОМ На просвет – для прозрачных образцов На отражение – для непрозрачных образцов Для увеличения чувствительности излучение, отраженное от образца или прошедшее сквозь образец, собирается на фотоприемнике с помощью фокусирующего зеркала или линзы

Конфигурации СБОМ A - падающее и отраженное излучение идут по одному и тому же оптическому волокну. B - падающее излучение идет по оптическому волокну зонда, детектируется отраженное от поверхности образца излучение. C - для освещения образца используется внешний источник лазерного излучения, для сбора отраженного излучения используется зонд. D - для подвода излучения к образцу используется зонд, детектируется прошедшее через образец излучение. E - для подвода излучения к образцу используется внешний источник лазерного излучения, детектируется излучение прошедшее через образец. Методика применима только к прозрачным образцам.

Примеры применения СБОМ Изображение специальной оптической решетки. Длинна волны лазера 532. 8 нм Размер: 17 x 17 um СБОМ позволил радикально улучшить разрешение оптического изображения. В настоящее время с его помощью получено рекордное разрешение до 12 нм