Сканирующая зондовая микроскопия Введение СЗМ — это

Сканирующая зондовая микроскопия Введение

СЗМ - это разновидность микроскопии, дающая возможность исследования свойств поверхностей материалов от микронного до атомарного уровня. Основной принцип – взаимодействие твердотельного зонда с образцом в процессе его сканирования. Мода - метод использующий определенный тип взаимодействия зонд-образец для получения изображения Основные моды СЗМ: • Атомно-силовая микроскопия • Сканирующая туннельная микроскопия • Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия Каждая мода включает в себя несколько методик. (Всего более 40)

Общая схема СЗМ Общая схема организации обратной связи сканирующего зондового микроскопа

Примеры изображений СТМ изображение поверхности Si 7 x 7 полученное в сверх-высоком вакууме. Эритроциты Атомно-силовая микроскопия Жесткий диск с высокой плотностью записи Магнитно-силовая микроскопия Начальная стадия МЛЭ-роста Ga. As нановискеров на поверхности Ga. As(111), активированной каплями Au.

Сканеры СЗМ Около двухсот лет назад Франц Эпинус заметил, что драгоценный камень турмалин при нагревании становиться электрически заряженным. Этот эффект получил название пироэлектрического. 1880 – Открытие прямого пьезоэффетка братьями Пьером и Жаком Кюри. Пьезоэлектри ческий эффе кт — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля. 1921 – Дж. Валашек в кристаллах Na. KC 4 H 4 O 6 × 4 H 2 O (сегнетова соль) обнаружил нелинейные электрические свойства, аналогичные нелинейным свойствам ферромагнетиков. Среди 32 кристаллических классов, есть 20 классов (полярные и полярно-нейтральные кристаллы), которые поляризуются под действием механических напряжений, т. е. являются пьезоэлекртиками. Из этих 20 классов кристаллов, без центра симметрии и имеющих полярные оси, можно выделить 10 классов, обладающих особыми полярными направлениями – пироэлектрические кристаллы. Сегнетоэлектрики – это подгруппа пироэлектриков с переключаемой во внешнем электрическом поле поляризацией. Т. о. сегнетоэлектрики обязательно обладают пироэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами.

Сканеры СЗМ Основная назначение сканера – перемещение зонда относительно образца с очень высокой точностью (около 0, 24 пм для сканера с полным перемещением 1 мкм) Пьезоэлектрики изменяют свои размеры во внешнем электрическом поле. Уравнение обратного пьезоэффекта для кристаллов записывается в виде:

Сканеры СЗМ Трубчатый пьезоэлемент Под действием разности потенциалов между внутренним и внешним электродами трубка изменяет свои продольные размеры. В этом случае продольная деформация под действием радиального электрического поля может быть записана в виде:

Topografiner Конструкция туннельного микроскопа Topografiner. Russell Young. 1972

Схема управления микроскопом

СТМ-изображения поверхности

Зависимость туннельного тока от Расстояния между двумя проводниками. V-приложенное напряжение k 0 -обратная длина затухания плотности волновой функции вне поверхности. S- эффективное расстояние k 0 определяется выражением: Где ф1 и ф2 – значения работ выхода электронов из материалов, между которыми происходит туннелирование При ф=4. 5 э. В величина туннельного тока падает почти на порядок при изменении расстояния на 1 Å

Расчетные значения относительных вкладов в туннельный ток локальных токов от отдельных атомных групп.

СТМ изображение поверхности монокристаллического кремния Si(111)

Г. Рорер (слева) и Г. Бинниг со своим первым СТМ

Трубчатый пьезосканер СЗМ

Крип пьезокерамики

Гистерезис пьезокерамики

Атомно-силовая микроскопия Основана на силовом взаимодействии твердотельного зонда с образцом

Бесконтактная АСМ

Электросиловая микроскопия

Двухпроходные методики

Магнитно-силовая микроскопия

Магнитные домены иттрий-железного граната

АСМ кантилеверы

Вискеры на кончиках игл кремниевых кантилеверов

Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия

Изображение меченых ФИТЦ антител в митохондриях, СБОМ (Интегра Солярис, НТ-МДТ)

Рассеяние света веществом

Комбинационное рассеяние