Курс лекций ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР Лекция 2: Методы диагностики, обладающие нано-масштабным пространственным разрешением: просвечивающая электронная микроскопия, зондовые методы диагностики (сканирующая туннельная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, оптическая спектроскопия с использованием зонда). Лекция 2: Сканирующая зондовая микроскопия Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ), объединяет широкий спектр современных методов исследования поверхности. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) - Нобелевская премия 1986 года (Бинниг и Рорер) qпрямая визуализация поверхностной реконструкции; qманипуляция отдельными атомами; qисследование локального влияния поверхностных дефектов на зонную структуру образца; qизучение биологических и органических материалов, в частности: üвизуализация отдельных молекул ДНК, üпрямое измерение сил взаимодействия комплементарных нуклеотидов, üвизуализация в реальном масштабе времени процессов взаимодействия ДНК с белками http://www.spm.genebee.msu.su/members/gallyamov/gal_yam/gal_yam1.html Лекция 2: Сканирующая зондовая микроскопия Основные принципы сканирующей зондовой микроскопии Общей чертой всех СЗМ является наличие микроскопического зонда, который приводится в контакт (не всегда речь идет о механическом контакте) с исследуемой поверхностью и, в процессе сканирования, перемещается по некоторому участку поверхности заданного размера. Контакт зонда и образца подразумевает их взаимодействие. Природа этого выбранного взаимодействия и определяет принадлежность прибора к тому или иному типу в рамках семейства зондовых микроскопов. Информация о поверхности извлекается путем фиксации (при помощи системы обратной связи) или детектирования взаимодействия зонда и образца. В туннельном микроскопе это взаимодействие проявляется в протекании постоянного тока в туннельном контакте. В основе атомно-силовой микроскопии лежит взаимодействие зонда и образца с силами притяжения или отталкивания. Существуют такие разновидности зондовых микроскопов, как магнитно-силовой микроскоп (зонд и образец взаимодействуют с магнитными силами), микроскоп ближнего поля (оптические свойства образца детектируются через миниатюрную диафрагму, находящуюся в ближней зоне источника фотонов), поляризационный силовой микроскоп (с образцом взаимодействует проводящий заряженный зонд) и т.д. Миниатюрные размеры зонда и высокая чувствительность детектирующей системы зондовых микроскопов позволяет достигать нано- и субнанометрового пространственного разрешения при детектировании поверхностных свойств (разрешающая способность прибора, как правило, тем выше, чем более короткодействующий характер имеет взаимодействие зонда и образца.) Лекция 2: Сканирующая зондовая микроскопия Общие принципы работы сканирующего зондового микроскопа Процесс сканирования осуществляется при помощи пьезокерамического манипулятора. Зонд движется последовательно, строка за строкой, вдоль поверхности (изменяются координаты X и Y). Положение иглы в плоскости XY описывается двумя координатами Xi, и Yj. Результатом работы сканирующего зондового микроскопа является установление соответствия между каждой парой координат {Xi,Yj} и некоторым числовым значением, характеризующим анализируемый параметр поверхности. По способу движения иглы над поверхностью можно провести следующую дифференциацию работы СЗМ. q Сканирование по способу постоянной высоты: зонд движется над поверхностью при постоянной координате Z. В этом случае в каждой точке {Xi,Yj} измеряется интенсивность рабочего взаимодействия Fij|Z=const. Результатом исследования является массив {Fij|Z=const,Xi,Yj}, описывающий зависимость функции двух переменных F|Z=const(X,Y). q Сканирование по способу постоянного взаимодействия: система обратной связи фиксирует на заданном уровне величину рабочего взаимодействия A(X,Y,Z) вариацией вертикальной Z координаты зонда. Результатом работы СЗМ будет массив {Zij|A=const, Xi, Yj}, коррелирующий с топографией исследуемой поверхности. Таким образом, результатом СЗМ-исследования является получение функциональных зависимостей двух типов: по способу постоянной высоты: F|Z=const(X, Y) и по способу постоянного взаимодействия: Z|A=const(X,Y) (``топография''). Следует учитывать отличие ``топографического'' массива, полученного в режиме постоянного взаимодействия: {Zij|A=const, Xi,Yj} от реальной топографии поверхности. В случае неоднородного распределения поверхностных свойств, определяющих интенсивность взаимодействия зонда и образца, для извлечения точной информации о топографии объекта необходимо в каждой точке проводить дополнительный анализ взаимодействия зонда и образца. Лекция 2: Сканирующий туннельный микроскоп Только проводящие материалы! Лекция 2: Сканирующий туннельный микроскоп В СТМ взаимодействие зонда и поверхности проявляется в протекании постоянного тока в туннельном зазоре между ними. Для плотности туннельного тока справедлива формула: (3.1) (3.1) z – высота иглы относительно образца; U – разность потенциалов на туннельном контакте; φ– высота потенциального барьера; It экспоненциально зависит от величины туннельного промежутка и именно это свойство позволяет достичь столь высокого разрешения туннельной микроскопии. При изменении расстояния зонд-образец z на один ангстрем величина туннельного тока изменяется на порядок. Поскольку величина взаимодействия зонд-образец столь существенно зависит от расстояния z, то это позволяет системе обратной связи поддерживать величину z постоянной в процессе сканирования с высокой точностью. Данное обстоятельство обуславливает высокое пространственное разрешение СТМ при определении ``топографической'' функции Z|It=const(X,Y). Лекция 1: Сканирующий туннельный микроскоп Методика Особенности Стандартная Получение изображения рельефа (Следует иметь в виду, что в режиме СТМ картина рельефа поверхности по сути дела определяется условиями возникновения туннельного тока, величина которого является функцией не только расстояния, но и электронных свойств поверхности) проводящей поверхности или картины распределения туннельного тока при постоянной высоте иглы. Литография локальное воздействие на поверхность импульсами напряжения. Служит для изменения рельефа, физических и химических свойств проводящих поверхностей или пленок на поверхности. Лекция 2: Сканирующий туннельный микроскоп Сканирующая Туннельная Спектроскопия (СТС) измерение вольтамперных характеристик в заданных точках поверхности или регистрация распределения по поверхности величины dI/dU, содержащей информацию о локальной спектральной плотности электронных состояний. Прибор можно запрограммировать на снятие кривых I-U в каждой точке области и из собранных данных получить трехмерную картину электронной структуры области. Все указанные методы предназначены для зондирования локальной электронной структуры поверхности с использованием СТМ Измерение локальной высоты потенциального барьера измерение зависимости I(z) туннельного тока от величины туннельного зазора или регистрация распределения по поверхности величины dI/dz, содержащей информацию о локальной высоте потенциального барьера (локальной работе выхода электронов) Лекция 2: Сканирующий туннельный микроскоп Некоторые ограничения в методе СТС: 1. СТС чувствительна только к электронным состояниям, которые локализованы в вакуумном промежутке между иглой и поверхностью. СТС фиксирует только часть волновых функций электронов, распространяющихся в вакуум на несколько ангстрем. 2. СТС, так же как и другая подобная техника (например, фотоэлектронная спектроскопия), зависит от так называемых правил отбора – правил перехода электронов из одного состояния в другое. Это определяет величину туннельного тока. 3. СТС несет информацию, искаженную влиянием самой иглы, так как плотности электронных состояний поверхности и острия иглы перекрываются. Это заметно, когда игла очень острая. В этом случае распределение ее собственной плотности состояний имеет особенности, которые трудно учесть при анализе полученных результатов. Именно поэтому иглу часто затупляют. 4. Серьезное ограничение метода СТМ и СТС в том, что с их помощью затруднительно производить анализ элементного состава в химическом соединении или сплаве. В отличие от известных методов, например рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии или оже-спектроскопии, позволяющих анализировать остовные электронные уровни, СТМ дает возможность анализировать плотность состояний лишь в валентной зоне. В валентной зоне сплавов и соединений по сравнению с таковыми у чистых элементов, входящих в состав сплава, происходят, как правило, столь сильные изменения, что получить информацию о составе невозможно. Лекция 2: Атомный силовой микроскоп В атомно-силовом микроскопе взаимодействие является силовым взаимодействием зонда и образца. Обобщенная геометрия зонда атомносилового микроскопа а) h - высота зонда, R - радиус кривизны кончика, d - расстояние между зондом и образцом. Типичные параметры: h ∼ 3÷15 мкм, R ∼ 5÷40 нм, α ∼ 10÷35°; Лекция 2: Атомный силовой микроскоп Баланс силового взаимодействия зонда и образца Притяжение Ван-дер-Ваальса ρ1 и ρ2 - плотности материалов зонда и образца, β - константа в законе Лондона для энергии дисперсионного взаимодействия двух нейтральных атомов в вакууме: U = −β/ r6; A ∼ (0,4÷4)×10−19 Дж. FВдВ ∼ 10−8÷10−9 Н Результат сканирования в контактном режиме Контактный режим Лекция 2: Атомный силовой микроскоп Лекция 2: Атомный силовой микроскоп Лекция 2: АСМ Cantilever - консоль Ещё одна модификация АСМ, активно используемая в настоящее время - АСМ резонансного типа (tapping mode). В этой схеме дополнительный пьезоэлемент возбуждает вынужденные колебания консоли на его резонансной частоте (вдали от поверхности образца). При сближении зонда и образца возникновение дополнительного градиента сил их взаимодействия приводит к сдвигу резонансной частоты (изменению эффективной жесткости) и частичному выходу системы из резонанса, что уменьшает амплитуду колебаний. При сканировании АСМ в резонансном режиме система обратной связи поддерживает на заданном уровне величину амплитуды колебаний. В силу высокой чувствительности амплитуды колебаний к среднему значению расстояния между зондом и образцом, можно получать информацию о топографии поверхности с достаточно высоким пространственным разрешением. Лекция 2: Атомный силовой микроскоп Лекция 2: Атомный силовой микроскоп .