Принцип работы сканирующих зондовых микроскопов

1.1. Принципы работы  сканирующих зондовых микроскопов

В сканирующих зондовых микроскопах  исследование микрорельефа

поверхности и ее локальных  свойств проводится с помощью специальным образом приготовленных зондов в виде игл. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах по порядку величин составляет 0,1 – 10 нм. В основе работы зондовых микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью. Так, работа туннельного микроскопа основана на явлении протекания туннельного тока между металлической иглой и проводящим образцом; различные

типы силового взаимодействия лежат в основе работы атомно-силового, магнитно- силового и электросилового микроскопов. Рассмотрим общие черты, присущие различным зондовым микроскопам. Пусть взаимодействие зонда с поверхностью характеризуется некоторым параметром Р. Если существует достаточно резкая и взаимно однозначная зависимость параметра Р от расстояния зонд – образец Р = Р(z), то данный параметр может быть использован для организации системы обратной связи (ОС), контролирующей расстояние между зондом и образцом. На рис. 1 схематично показан общий принцип организации обратной связи сканирующего зондового микроскопа.

Рис. 1. Схема организации  системы обратной связи зондового  микроскопа

Система обратной связи поддерживает значение параметра Р постоянным,равным величине Ро, задаваемой оператором. Если расстояние зонд – поверхность изменяется (например, увеличивается), то происходит изменение (увеличение)параметра Р. В системе ОС формируется разностный сигнал, пропорциональный величине ΔP = P - Po , который усиливается до нужной величины и подается на исполнительный элемент ИЭ. Исполнительный элемент отрабатывает данный разностный сигнал, приближая зонд к поверхности или отодвигая его до тех пор, пока

разностный сигнал не станет равным нулю. Таким образом можно поддерживать расстояние зонд-образец с высокой точностью. В существующих зондовых микроскопах точность удержания расстояния зонд-поверхность достигает величины ~ 0.01 Å. При перемещении зонда вдоль поверхности образца происходит изменение параметра взаимодействия Р, обусловленное рельефом поверхности. Система ОС отрабатывает эти изменения, так что при перемещении зонда в плоскости X,Y сигнал

на исполнительном элементе оказывается пропорциональным рельефу поверхности.

Для получения СЗМ изображения  осуществляют специальным образом

организованный процесс  сканирования образца. При сканировании зонд вначале движется над образцом вдоль определенной линии (строчная развертка), при этом величина сигнала на исполнительном элементе, пропорциональная рельефу поверхности, записывается в память компьютера. Затем зонд возвращается в исходную точку и переходит на следующую строку сканирования (кадровая развертка), и процесс повторяется вновь. Записанный таким образом при сканировании сигнал обратной связи обрабатывается компьютером, и затем СЗМ изображение рельефа поверхности Z = f(x,y) строится с помощью средств компьютерной графики. Наряду с исследованием рельефа поверхности, зондовые микроскопы позволяют изучать различные свойства поверхности: механические, электрические, магнитные,оптические и многие другие.

 

1.2. Сканирующие  элементы (сканеры) зондовых микроскопов

Для работы зондовых микроскопов  необходимо контролировать рабочее  расстояние зонд-образец и осуществлять перемещения зонда в плоскости  образца с высокой точностью (на уровне долей ангстрема). Эта задача решается с помощью специальных  манипуляторов – сканирующих  элементов (сканеров). Сканирующие элементы зондовых микроскопов изготавливаются  из пьезоэлектриков – материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Пьезоэлектрики изменяют свои размеры во внешнем электрическом поле. Уравнение обратного пьезоэффекта для кристаллов записывается в виде:

 

 u = d * E

 

 где u – тензор деформации, E– компоненты электрического поля, d – компоненты тензора пьезоэлектрических коэффициентов. Вид тензора пьезоэлектрических коэффициентов определяется типом симметрии кристаллов [5].

 

 В различных технических  приложениях широкое распространение  получили преобразователи из  пьезокерамических материалов. Пьезокерамика представляет собой поляризованный поликристаллический материал, получаемый методами спекания порошков из кристаллических сегнетоэлектриков. Поляризация керамики производится следующим образом. Керамику нагревают выше температуры Кюри (для большинства пьезокерамик эта температура менее 300С), а затем медленно охлаждают в сильном (порядка 3 кВ/см) электрическом поле. После остывания пьезокерамика имеет наведенную поляризацию и приобретает способность изменять свои размеры (увеличивать или уменьшать в зависимости от взаимного направления вектора поляризации и вектора внешнего электрического поля).

 

 В сканирующей зондовой  микроскопии широкое распространение  получили трубчатые пьезоэлементы (рис. 2). Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при относительно небольших управляющих напряжениях. Трубчатые пьезоэлементы представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезокерамических материалов. Обычно электроды в виде тонких слоев металла наносятся на внешнюю и внутреннюю поверхности трубки, а торцы трубки остаются непокрытыми.

Рис. 2. 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:

 

 где l – длина трубки в недеформируемом состоянии. Абсолютное удлинение пьезотрубки равно

 

 

 где h – толщина стенки пьезотрубки, V – разность потенциалов между внутренним и внешним электродами. Таким образом, при одном и том же напряжении V удлинение трубки будет тем больше, чем больше ее длина и чем меньше толщина ее стенки .

 

 Соединение трех трубок  в один узел позволяет организовать  прецизионные перемещения зонда  микроскопа в трех взаимно  перпендикулярных направлениях. Такой сканирующий элемент называется триподом.

 

 Недостатками такого  сканера являются сложность изготовления  и сильная асимметрия конструкции.  На сегодняшний день в сканирующей  зондовой микроскопии наиболее широко используются сканеры, изготовленные на основе одного трубчатого элемента. Общий вид трубчатого сканера и схема расположения электродов представлены на рис. 3. Материал трубки имеет радиальное направление вектора поляризации.

Рис. 3. Трубчатый пьезосканер

 

Внутренний электрод обычно сплошной. Внешний электрод сканера  разделен по образующим цилиндра на четыре секции. При подаче противофазных  напряжений на противоположные секции внешнего электрода (относительно внутреннего) происходит сокращение участка трубки в том месте, где направление  поля совпадает с направлением поляризации, и удлинение там, где они направлены в противоположные стороны. Это  приводит к изгибу трубки в соответствующем  направлении. Таким образом осуществляется сканирование в плоскости Х, Y. Изменение потенциала внутреннего электрода относительно всех внешних секций приводит к удлинению или сокращению трубки по оси Z. Таким образом, можно организовать трехкоординатный сканер на базе одной пьезотрубки. Реальные сканирующие элементы имеют часто более сложную конструкцию, однако принципы их работы остаются теми же самыми .

 

 Широкое распространение  получили также сканеры на  основе биморфных пьезоэлементов. Биморф представляет собой две пластины пьезоэлектрика, склеенные между собой таким образом, что вектора поляризации в каждой из них направлены в противоположные стороны (рис. 4). Если подать напряжение на электроды биморфа, как показано на рис. 4, то одна из пластин будет расширяться, а другая сжиматься, что приведет к изгибу всего элемента. В реальных конструкциях биморфных элементов создается разность потенциалов между внутренним общим и внешними электродами так, чтобы в одном элементе поле совпадало с направлением вектора поляризации, а в другом было направлено противоположно.

 

 Изгиб биморфа под действием электрических полей положен в основу работы биморфных пьезосканеров. Объединяя три биморфных элемента в одной конструкции, можно реализовать трипод на биморфных элементах.

Рис. 4. Устройство биморфного пьезоэлемента

 Если внешние электроды  биморфного элемента разделить на четыре сектора, то можно организовать движение зонда по оси Z и в плоскости X, Y на одном биморфном элементе (рис. 5).

 

 Действительно, подавая  противофазные напряжения на  противоположные пары секций  внешних электродов, можно изгибать  биморф так, сто зонд будет двигаться в плоскости X, Y (рис. 5 (а, б)). А изменяя потенциал внутреннего электрода относительно всех секций внешних электродов, можно прогибать биморф, перемещая зонд в направлении Z (рис. 5 (в, г)) .

 

. Рис. 5. Схематическое изображение работы биморфного пьезосканера

 1.2.1 Нелинейность пьезокерамики.

 Несмотря на ряд  технологических преимуществ перед  кристаллами, пьезокерамики обладают некоторыми недостатками, отрицательно влияющими на работу сканирующих элементов. Одним из таких недостатков является нелинейность пьезоэлектрических свойств. На рис. 8 в качестве примера приведена зависимость величины смещения пьезотрубки в направлении Z от величины приложенного поля. В общем случае (особенно при больших управляющих полях) пьезокерамики характеризуются нелинейной зависимостью деформаций от поля (или от управляющего напряжения).

Рис. 6. Схематичное изображение зависимости смещения керамики от величины приложенного

 

 электрического поля

 Таким образом, деформация  пьезокерамики является сложной функцией внешнего электрического поля:

 

 u = u

 

 Для малых управляющих  полей данная зависимость может  быть представлена в следующем  виде:

 

 u = d* E+ α* E*Е+…

 

 где d и α - линейные и квадратичные модули пьезоэлектрического эффекта.

 

 Типичные значения  полей Е, при которых начинают  сказываться нелинейные эффекты,  составляют порядка 100 В/мм. Поэтому  для корректной работы сканирующих  элементов обычно используются  управляющие поля в области линейности керамики (Е < Е) .

1.2.2 Крип пьезокерамики и гистерезис пьезокерамики.

 Другим недостатком  пьезокерамики является так называемый крип (creep – ползучесть) – запаздывание реакции на изменение величины управляющего электрического поля.

 

 Крип приводит к  тому, что в СЗМ изображениях  наблюдаются геометрические искажения,  связанные с этим эффектом. Особенно  сильно крип сказывается при  выводе сканеров в заданную  точку для проведения локальных  измерений и на начальных этапах  процесса сканирования. Для уменьшения  влияния крипа керамики применяются  временные задержки в указанных  процессах, позволяющие частично  скомпенсировать запаздывание сканера.

 

Еще одним недостатком  пьезокерамик является неоднозначность зависимости удлинения от направления изменения электрического поля (гистерезис).

 

 Это приводит к тому, что при одних и тех же  управляющих напряжениях пьезокерамика оказывается в различных точках траектории в зависимости от направления движения. Для исключений искажений СЗМ изображений, обусловленных гистерезисом пьезокерамики, регистрацию информации при сканировании образцов производят только на одной из ветвей зависимости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

1.   Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов

 

2.   Сканирующие элементы (сканеры) зондовых микроскопов

 

1. Нелинейность пьезокерамики.

 

1.2.2 Крип пьезокерамики и гистерезис пьезокерамики.

 

Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1.         Миронов В.Л. Основы сканирующей  зондовой микроскопии. 2004. Мир.

2.         Володин А.П. Сканирующая микроскопия / А. П. Володин, – М.: Наука, 1998, – 114 с.