Типы и условия формирования контраста в сканирующем зондовом микроскопе. Контактный и бесконтактный режим работы СЗМ.

 

Основное отличие разных методов зондовой микроскопии состоит в типе применяемого зонда.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Металлическое острие и проводящая поверхность исследуемого образца образуют туннельный переход. В микроскопе измеряют величину электрического тока туннельного перехода.

 

Сканирующий силовой микроскоп (ССМ). В качестве зонда используется микроострие, закрепленное на упругой микроконсоли. В ССМ регистрируется сила взаимодействия между микроострием и поверхностью образца. Для

ССМ часто используется и другое название — атомно-силовой микроскоп (АСМ), которое указывает на локальный характер силового взаимодействия.

 

Сканирующий электрохимический микроскоп (СЭМ). Дает возможность визуализировать отдельные атомы в растворах электролитов.

 

Существует несколько режимов работы СЗМ: контактный и бесконтактный (в случае АСМ еще полуконтактный).

 

В контактном режиме игла поддерживается на расстоянии в нескольких ангстрем от поверхности образца, и сила, действующая между кантилевером и образцом, является силой отталкивания. В бесконтактном режиме кантилевер поддерживается на расстоянии порядка десятков или сотен ангстрем от поверхности образца и сила, действующая между кантилевером и образцом является силой притяжения (в основном, в результате дальних ван-дер-вальсовых взаимодействий). Полуконтактный режим (прерывистый контакт)- возникают как силы притяжения, так и силы отталкивания между образцом и зондом, который колеблется вблизи поверхности. Силовое взаимодействие с поверхностью вызывает изгиб балки или изменение амплитуды ее колебаний.

 

19. Каковы требования для устойчивой работы СЗМ: а) к образцам, б) к аппаратуре в) к окружающей среде.

 

А) К образцам, исследуемым методами сканирующей зондовой микроскопии предъявляется ряд общих требований, которые состоят в небольших геометрических размерах (<100 мм в плоскости и <15 мм по высоте) и массы (до 300 г) образца, достаточной гладкости (в пределах исследуемой области шераховатость не должна превышать 10 мкм) и возможности жесткого закрепления горизонтальности исследуемой поверхности. Эти требования дополняются требованиями конкретного режима измерения. Для исследования методами контактной атомно-силовой микроскопии шераховатость образцов должна быть ниже: не более 100 нм (при исследовании методом постоянной силы) и не более 1-2 нм (при исследовании методом постоянной силы) (??)

Для исследования методами сканирующей емкостной микроскопии и методом отображения сопротивления растекания образцы должны располагаться на хорошо проводящих подложках либо на проводящем подслое. Для исследования кривых пьезоэлектрического гистерезиса и выполнения пьезоэлектической литографии также требуется наличие проводящего подслоя. Кроме того, поскольку вышеназванные методы осуществляют сканирование в контактном режиме, на них распространяются требования гладкости контактных методов.

 

Б) Для эффективной работы конструкция измерительной головки СТМ должна удовлетворять целому ряду требований. Наиболее важным из них является требование высокой помехозащищенности. Это обусловлено большой чувствительностью туннельного промежутка к внешним вибрациям, перепадам температуры, электрическим и акустическим помехам. То есть необходимо наличие достаточно эффективной системы виброизоляции и термокомпенсации. Накладываются серьезные ограничения на применение чисто механических устройств для перемещения зонда и образца. В связи с этим широкое распространение в зондовых микроскопах получили устройства на основе пьезоэлектрических преобразователей, позволяющих осуществить дистанционное управление перемещением объектов.

В) Главным источником нестабильности положения зонда является изменение температуры окружающей среды или разогрев элементов зондового микроскопа во время его работы.