Артефакты в SPM

Под разрешающей силой зондового микроскопа понимают способность ре-

гистрировать раздельно два события или объекта, близких друг к другу во вре-

мени или пространстве. Различные количественные меры разрешающей способ-

ности и способы их определения описаны в гл. 3.

Для аттестации SPM часто используют специальные калибровочные решет-

ки, изготовленные методами нанолитографии, графитовые пластинки с одно-

атомными ступеньками, фуллеритовые и нанотрубчатые структуры. Реальность

достижения истинно атомарного разрешения можно проверить на хорошо из-

вестных структурах реконструированной поверхности монокристаллов кремния,

например так называемых 7х7-структур.

Что касается разрешения во времени, то оно в последние годы непрерывно

возрастает. При разрешении 256x256 пикселей сейчас возможно кинофильми-

рование со скоростью до 80 кадров в секунду. Это позволяет in situ исследовать

диффузию отдельных атомов на поверхности, кинетику фазовых переходов, ми-

фацию границ и т.п.

Из всех многочисленных факторов, влияющих на работу сканирующего

зондового микроскопа, на формирование изображения и его информационную

ценность, на первое место, безусловно, следует поставить форму кончика зонда,

в частности эквивалентный радиус его закругления (рис. 4.26).

В АРМ (как, впрочем, и в других методах SPM) вследствие невозможности

зайти в узкие канавки, углы резких ступеней и т.п. происходит сглаживание

рельефа (рис. 4.26, а). Эти погрешности можно уменьшить специальной обра-

боткой сигнала, которая учитывает конкретную геометрию зонда, полученную в

проходах по тестовым пластинкам.

В процессе восстановления истинного рельефа к полученному эксперимен-

тально изображению в местах резких изменений сигнала прибавляется (или вы-

читается) функция, описывающая форму кончика зонда, что увеличивает раз-

решение и контрастность изображения.

В результате взаимодействия боковых поверхностей зонда АРМ с выступа-

ми и впадинами возникают артефакты (т.е. появление элементов изображения,

не отражающих реальную топографию поверхности), создающие тени, окантов-

ки и т.п. (рис. 4.26, б). Различные неоднородности свойств (упругих, вязких,

электрических, магнитных и т.п.) могут восприниматься как элементы рельефа.

Для устранения (или уменьшения) этих погрешностей, целесообразно отскани-

ровать избранный участок в разных модах и режимах.

Помимо чисто физических причин в SPM существуют и аппаратные источ-

ники погрешностей (рис. 4.27).

Значительная часть из них обусловлена неидеальной работой пьезосканера,

микроподвижками отдельных частей прибора, термоупругими деформациями и

др. Так, наиболее распространенный сканер трубчатой формы не обеспечивает

строго плоскопараллельного перемещения зонда над поверхностью при скани-

ровании (рис. 4.27, а).

Легко видеть, что при типичной длине L ≪ 50 мм и размерах площадки ска-

нирования 50 х 50 мкм AZ достигает 50 нм на краях кадра. Любому пьезокера-

мическому актуатору свойственны гистерезис и ползучесть, что выражается в

зависимости его размеров от направления движения и времени при фиксиро

ванном поданном напряжении (рис. 4.27, б и 4.28, в). Различного рода медлен-

ные дрейфы (вследствие старения и релаксационных явлений в пьезокерамике),

более быстрые термические дрейфы, вибрации основания, акустические шумы и

т.п. также вносят свой вклад в ухудшение качества изображения.

Отчасти описанные выше проблемы могут быть сняты введением соответ-

ствующих коррекций в программу управления сканером. Более радикальными

способами борьбы с ними является хорошая защита от окружающей среды, ох-

лаждение, различные конструктивные меры.