Курсова робота: Сканувальна зондова мікроскопія. Сондова мікроскопія Зондовий мікроскоп

СКАНУЮЧІ ЗОНДОВІ МІКРОСКОПИ: ВИДИ І ПРИНЦИП РОБОТИ

Кувайцев Олександр В'ячеславович
Димитровградський інженерно-технологічний інститут філія національного дослідницького ядерного університету «МІФІ»
студент

SCANNING PROBE MICROSCOPY: TYPES AND OPERATING PRINCIPLES

Кувайцев Олександр Виячеславович
Димітровград Engineering and Technological Institute of National Research Nuclear University MEPHI
student

У 21-му столітті стрімко набирають популярність нанотехнології, які проникають у всі сфери нашого життя, але прогресу в них не було б без нових, експериментальних методів досліджень, одним із найбільш інформативних є метод скануючої зондової мікроскопії, яку винайшли та поширили нобелівські лауреати 1986 року. - Професор Генріх Рорер і доктор Герд Бінніг.

У світі відбулася справжня революція з появою методів візуалізації атомів. Стали з'являтися групи ентузіастів, котрі конструювали свої прилади. У результаті вийшло кілька успішних рішень для візуалізації результатів взаємодії зонда з поверхнею. Було створено технології виробництва зондів з необхідними параметрами.

Так що ж є зондовий мікроскоп? У першу чергу це безпосередньо зонд, який досліджує поверхню зразка, так само необхідна система переміщення зонда щодо зразка у двовимірному або тривимірному поданні (переміщається X-Y або X-Y-Z координатами). Все це доповнює реєструюча система, яка фіксує значення функції, яка залежить від відстані від зонда до зразка. Реєструюча система фіксує та запам'ятовує значення по одній з координат.

Основні типи скануючих зондових мікроскопів можна розділити на 3 групи:

1. Скануючий тунельний мікроскоп – призначений для вимірювання рельєфу провідних поверхонь з високою просторовою роздільною здатністю.
   У СТМ гостра металева голка проводиться над зразком на дуже малій відстані. При подачі на голку невеликого струму між нею та зразком виникає тунельний струм, величину якого фіксує реєструюча система. Голка проводиться над усією поверхнею зразка та фіксує найменші зміни тунельного струму, завдяки чому вимальовується карта рельєфу поверхні зразка. СТМ перший із класу скануючих зондових мікроскопів, інші були розроблені пізніше.
2. Скануючий атомно-силовий мікроскоп – використовується для побудови структури поверхні зразка з роздільною здатністю до атомарного. На відміну від СТМ за допомогою цього мікроскопа можна досліджувати як провідні, так і непровідні поверхні. Через здатність не тільки сканувати, а й маніпулювати атомами, названий силовим.
3. Близькопольний оптичний мікроскоп – «удосконалений» оптичний мікроскоп, що забезпечує дозвіл краще ніж у звичайного оптичного. Підвищення дозволу БОМу було досягнуто шляхом уловлювання світла від об'єкта, що вивчається, на відстанях менших, ніж довжина хвилі. Якщо зонд мікроскопа забезпечений пристроєм для сканування просторового поля, такий мікроскоп називають скануючим оптичним мікроскопом ближнього поля. Такий мікроскоп дозволяє отримати зображення поверхонь і з дуже високою роздільною здатністю.

На зображенні (рис. 1) показано найпростіша схемароботи зондового мікроскопа

Рисунок 1. – Схема роботи зондового мікроскопа

Його робота заснована на взаємодії поверхні зразка із зондом, це може бути кантилевер, голка або оптичний зонд. При малій відстані між зондом і об'єктом дослідження дії сил взаємодії, такі як відштовхування тяжіння і т.д., і прояв ефектів, таких як тунелювання електронів, можна зафіксувати за допомогою засобів реєстрації. Для детектування цих сил використовуються дуже чутливі сенсори, здатні вловити найменші зміни. П'єзрубки або плоскопаралельні сканери використовуються як система розгортки по координатах для отримання растрового зображення.

До основних технічних складнощів при створенні зондувальних мікроскопів, що сканують, можна віднести:

1. Забезпечення механічної цілісності
2. Детектори повинні мати максимальну чутливість
3. Кінець зонда повинен мати мінімальні розміри
4. Створення системи розгортки
5. Забезпечення плавності зонда

У більшості випадків отримане скануючим зондовим мікроскопом зображення погано піддається розшифровці через спотворення при отриманні результатів. Як правило, необхідна додаткова математична обробка. Для цього використовується спеціалізоване програмне забезпечення.

В даний час, скануюча зондова та електронна мікроскопія використовуються як доповнюють один одного методи дослідження через ряд фізичних і технічних особливостей. За минулі роки застосування зондової мікроскопії дозволило отримати унікальні наукові дослідження у галузях фізики, хімії та біології. Перші мікроскопи були лише приладами – індикаторами, що допомагають у дослідженнях, а сучасні зразки це повноцінні робочі станції, що включають до 50 різних методик дослідження.

Головним завданням цієї передової техніки є отримання наукових результатів, але застосування можливостей цих приладів практично потребує високої кваліфікації від фахівця.

Першими пристроями, за допомогою яких стало можливим спостерігати за нанооб'єктами та пересувати їх, стали скануючі зондові мікроскопи - атомно-силовий мікроскоп і скануючий тунельний мікроскоп, що працює за аналогічним принципом. Атомно-силова мікроскопія (АСМ) була розроблена Г. Біннігом і Г. Рорером, яким за ці дослідження у 1986 році було присуджено Нобелівську премію. Створення атомно-силового мікроскопа, здатного відчувати сили тяжіння та відштовхування, що виникають між окремими атомами, дало змогу нарешті «помацати і побачити» нанооб'єкти.

Малюнок 9. Принцип роботи скануючого зондового мікроскопа. Пунктир показаний хід променя лазера. Інші пояснення у тексті.

Основою АСМ (див. рис. 9) служить зонд, зазвичай зроблений з кремнію і являє собою тонку пластинку-консоль (її називають кантилевером, від англійського слова "cantilever" - консоль, балка). На кінці кантилевера (довжина 500 мкм, ширина 50 мкм, товщина 1 мкм) розташований дуже гострий шип (довжина 10 мкм, радіус закруглення від 1 до 10 нм), що закінчується групою з одного або декількох атомів (див. рис. 10).

Малюнок 10. Електронні мікрофото одного і того ж зонда, зроблені з малим (верх) та великим збільшенням.

При переміщенні мікрозонда вздовж поверхні зразка вістря шипа піднімається і опускається, окреслюючи мікрорельєф поверхні, подібно до того, як ковзає па грамплатівці патефонна голка. На виступаючому кінці кантилевера (над шипом, див. рис. 9) розташована дзеркальна площадка, яку падає і від якої відбивається промінь лазера. Коли шип опускається і піднімається на нерівностях поверхні, відбитий промінь відхиляється, і це відхилення реєструється фотодетектором, а сила, з якою шип притягується до прилеглих атомів - п'єзодатчиком.

Дані фотодетектора та п'єзодатчика використовуються в системі зворотнього зв'язкуяка може забезпечувати, наприклад, постійну величину силу взаємодії між мікрозондом і поверхнею зразка. В результаті можна будувати об'ємний рельєф поверхні зразка в режимі реального часу. Роздільна здатність АСМ методу становить приблизно 0,1-1 нм по горизонталі та 0,01 нм по вертикалі. Зображення бактерії кишкової палички, отримане за допомогою зондувального мікроскопа, що сканує, показано на рис. 11.

Малюнок 11. Бактерія кишкової палички ( Escherichia coli). Зображення одержано за допомогою скануючого зондового мікроскопа. Довжина бактерії – 1,9 мкм, ширина – 1 мкм. Товщина джгутиків та вій – 30 нм та 20 нм, відповідно.

Інша група скануючих зондових мікроскопів для побудови рельєфу поверхні використовує так званий квантово-механічний тунельний ефект. Суть тунельного ефекту у тому, що електричний струмміж гострою металевою голкою та поверхнею, розташованою на відстані близько 1 нм, починає залежати від цієї відстані – чим менша відстань, тим більше струм. Якщо між голкою і поверхнею прикладати напругу 10 В, цей «тунельний» струм може становити від 10 рА до 10 нА. Вимірюючи цей струм і підтримуючи його постійним, можна зберігати постійним та відстань між голкою та поверхнею. Це дозволяє будувати об'ємний профіль поверхні (див. мал. 12). На відміну від атомно-силового мікроскопа, тунельний мікроскоп, що сканує, може вивчати тільки поверхні металів або напівпровідників.

Малюнок 12. Голка тунельного мікроскопа, що сканує, що знаходиться на постійній відстані (див. стрілки) над шарами атомів досліджуваної поверхні.

Скануючий тунельний мікроскоп можна використовувати і для переміщення якогось атома в точку, вибрану оператором. Наприклад, якщо напруга між голкою мікроскопа і поверхнею зразка зробити трохи більше, ніж треба вивчення цієї поверхні, то найближчий до неї атом зразка перетворюється на іон і " перескакує " на голку. Після цього злегка перемістивши голку і змінивши напругу, можна змусити атом "зістрибнути" назад на поверхню зразка. Отже, можна маніпулювати атомами і створювати наноструктури, тобто. структури поверхні, мають розміри порядку нанометра. Ще в 1990 році співробітники IBM показали, що це можливо, склавши з 35 атомів ксенону назву своєї компанії на платівці з нікелю (рис. 13).

Рисунок 13. Складена з 35 атомів ксенону на платівці з нікелю назва компанії IBM, зроблена співробітниками цієї компанії за допомогою скануючого зондового мікроскопа в 1990 році.

З допомогою зондового мікроскопа можна як рухати атоми, а й створювати передумови їх самоорганізації. Наприклад, якщо на металевій пластині знаходиться крапля води, що містить іони тіолів, то зонд мікроскопа сприятиме такій орієнтації цих молекул, при якій їх два вуглеводневі хвости будуть звернені від пластини. В результаті можна побудувати моношар тіольних молекул, що прилипли до металевої пластини (див. рис. 14). Цей спосіб створення моношару молекул на поверхні металу називають «пір'яною нанолітографією».

Рисунок 14. Зліва вгорі – кантилевер (сіро-сталевий) скануючого зондового мікроскопа над металевою пластинкою. Справа – збільшене зображення області (обведена білим малюнку ліворуч) під зондом кантилевера, де схематично показані молекули тіола з фіолетовими вуглеводневими хвостами, выстраивающимися в моношар біля кінчика зонда. Взято з Scientific American, 2001, Sept, p. 44.

Карельський Державний Педагогічний Університет

Сканувальна зондова мікроскопія

Виконала:

554 гр. (2007 р.)

Скануючий зондовий мікроскоп (СЗМ), його будова та принцип дії

Сканувальна зондова мікроскопія (СЗМ)- один із потужних сучасних методівдослідження морфології та локальних властивостей поверхні твердого тіла з високою просторовою роздільною здатністю

Незважаючи на різноманіття видів і застосувань сучасних мікроскопів, що сканують, в основі їх роботи закладені схожі принципи, а їх конструкції мало різняться між собою. На рис. 1 зображено узагальнену схему скануючого зондового мікроскопа (СЗМ).

Рис.1 Узагальнена схема скануючого зондового мікроскопа (СЗМ).

Принцип його полягає в наступному. За допомогою системи грубого позиціонування вимірювальний зонд підводиться до поверхні зразка, що досліджується. При наближенні зразка та зонда на відстань менше сотень нм зонд починає взаємодіяти з поверхневими структурами аналізованої поверхні. Переміщення зонда вздовж поверхні зразка здійснюється за допомогою пристрою сканування, яке забезпечує сканування поверхні голкою зонда. Зазвичай воно є трубкою з п'єзокераміки, на поверхню якої нанесено три пари розділених електродів. Під дією прикладених до п'єзрубки напруг Ux і Uy вона згинається, забезпечуючи цим переміщення зонда щодо зразка по осях X і Y, під дією напруги Uz - стискається або розтягується, що дозволяє змінювати відстань голка-зразок.

П'єзоелектричний ефект у кристалах був виявлений у 1880 р. братами П. та Ж. Кюрі, які спостерігали виникнення на поверхні пластинок, вирізаних при певному орієнтуванні із кристала кварцу, електростатичних зарядів під дією механічних напруг. Ці заряди пропорційні механічному напрузі, змінюють знак разом із і зникають під час його зняття.

Утворення електростатичних зарядів на поверхні діелектрика та виникнення електричної поляризації всередині нього внаслідок дії механічної напруги називають прямим п'єзоелектричним ефектом.

Поруч із прямим існує зворотний п'єзоелектричний ефект, які у тому, що у пластині, вирізаної з п'єзоелектричного кристала, виникає механічна деформація під впливом доданого до неї електричного поля; причому величина механічної деформації пропорційна напруженості електричного поля. П'єзоелектричний ефект спостерігається тільки в твердих діелектриках, головним чином кристалічних. У структурах, що мають центр симетрії, жодна однорідна деформація не зможе порушити внутрішню рівновагу кристалічних ґрат і, отже, п'єзоелектричними є кристали лише 20 класів, у яких відсутній центр симетрії. Відсутність центру симетрії є необхідною, але не достатньою умовоюіснування п'єзоелектричного ефекту, і тому не всі ацентричні кристали володіють ним.

П'єзоелектричний ефект не може спостерігатися в твердих аморфних та прихованокристалічних діелектриках. (П'єзоелектрики - монокристали: Кварц.П'єзоелектричні властивості кварцу широко використовуються в техніці для стабілізації та фільтрації радіочастот, генерування ультразвукових коливань та вимірювання механічних величин. Турмалін.Основною перевагою турмаліну є більше значення приватного коефіцієнта порівняно з кварцом. Завдяки цьому, а також через більшу механічну міцність турмаліну можливе виготовлення резонаторів на більш високі частоти.

В даний час турмалін майже не використовується для виготовлення п'єзоелектричних резонаторів та має обмежене застосування для вимірювання гідростатичного тиску.

Сегнетова сіль.П'єзоелементи із сегнетової солі широко використовувалися в апаратурі, що працює у порівняно вузькому температурному інтервалі, зокрема, у звукознімачах. Однак нині вони майже повністю витіснені керамічними п'єзоелементами.

Датчик положення зонда безперервно відстежує позицію зонда щодо зразка і через систему зворотного зв'язку передає дані про неї комп'ютерну систему, що управляє рухом сканера. Для реєстрації сил взаємодії зонда з поверхнею використовують метод, заснований на реєстрації відхилення променя напівпровідникового лазера, відбитого від кінчика зонда. У мікроскопах такого типу відбитий пучок світла падає до центру двох- або чотирисекційного фотодіода, включеного за диференціальною схемою. Комп'ютерна системаслужить, крім управління сканером, також обробки даних від зонда, аналізу та відображення результатів дослідження поверхні.

Як бачимо, структура мікроскопа є досить простою. Основний інтерес викликає взаємодія зонда з досліджуваною поверхнею. Саме тип взаємодії, що використовується конкретним скануючим зондовим мікроскопом, визначає його можливості та сферу застосування. (Слайд) Як видно з назви, одним з основних елементів скануючого зондового мікроскопа є зонд. Загальною рисою всіх скануючих зондових мікроскопів є спосіб отримання інформації про властивості поверхні, що досліджується. Мікроскопічний зонд зближується з поверхнею до встановлення між зондом та зразком балансу взаємодій певної природи, після чого здійснюється сканування.

Скануючий тунельний мікроскоп (СТМ), його будова та принцип дії

Першим прототипом СЗМ став скануючий тунельний мікроскоп (СТМ), винайдений 1981р. вченими дослідницької лабораторії IBM у Цюріху Герхардом Біннігом та Хайнріхом Ререром. З його допомогою вперше було отримано реальні зображення поверхонь з атомарною роздільною здатністю, зокрема реконструкція 7х7 на поверхні кремнію (рис. 2).

STM зображення поверхні монокристалічного кремнію. Реконструкція 7 х 7

Всі відомі в даний час методи SPM можна умовно розбити на три основні групи:

- Скануюча тунельна мікроскопія; в СТМ як зонд використовується гостра голка

Якщо між голкою та зразком докласти напругу зміщення, то при наближенні вістря голки до зразка на відстань порядку 1 нм між ними виникає струм тунелювання, величина якого залежить від відстані "голка-зразок", а напрямок - від полярності напруги (рис. 4). При видаленні вістря голки від досліджуваної поверхні тунельний струм зменшується, а при наближенні – зростає. Таким чином, використовуючи дані про тунельний струм в деякій множині точок поверхні, можна побудувати зображення топографії поверхні.

Рис.4 Схема виникнення струму тунелювання.

- Атомно-силова мікроскопія; в ній реєструють зміни сили тяжіння голки до поверхні від точки до точки. Голка розташована на кінці консольної балочки (кантилевера), яка має відому жорсткість і здатна згинатися під дією невеликих ван-дер-ваальсових сил, які виникають між досліджуваною поверхнею і кінчиком вістря. Деформацію кантилевера реєструють за відхиленням лазерного променя, що падає на його тильну поверхню, або за допомогою п'єзорезистивного ефекту, що виникає в самому кантилевері при згині;

- Близькопольна оптична мікроскопія; в ній зондом служить оптичний хвилевід (світловолокно), що звужується на тому кінці, який звернений до зразка, діаметром менше довжини хвилі світла. Світлова хвиля при цьому не виходить із хвилеводу на велику відстань, а лише злегка "вивалюється" з його кінчика. На іншому кінці хвилеводу встановлені лазер та приймач відбитого від вільного торця світла. При малій відстані між досліджуваною поверхнею і кінчиком зонда амплітуда і фаза відбитої світлової хвилі змінюються, що служить сигналом, що використовується при побудові тривимірного зображення поверхні.

Залежно від тунельного струму або відстані між голкою та поверхнею – можливі два режими роботи скануючого тунельного мікроскопа. У режимі постійної висоти вістря голки переміщається в горизонтальній площині над зразком, а струм тунелювання змінюється залежно від відстані до нього (рис. 5а). Інформаційним сигналом у цьому випадку є величина струму тунелювання, виміряна у кожній точці сканування поверхні зразка. На основі одержаних значень тунельного струму будується образ топографії.

Мал. 5. Схема роботи СТМ: а – у режимі постійної висоти; б - в режимі постійного струму

У режимі постійного струму система зворотного зв'язку мікроскопа забезпечує сталість струму тунелювання шляхом підстроювання відстані "голка-зразок" у кожній точці сканування (рис. 5б). Вона відстежує зміни тунельного струму і керує напругою, що додається до скануючого пристрою, таким чином, щоб компенсувати ці зміни. Іншими словами, зі збільшенням струму система зворотного зв'язку віддаляє зонд від зразка, а при зменшенні - наближає його. У цьому режимі зображення будується на основі даних про величину вертикальних переміщень скануючого пристрою.

Обидва режими мають свої переваги та недоліки. У режимі постійної висоти можна швидше отримати результати, але тільки відносно гладких поверхонь. У режимі постійного струму можна з високою точністю вимірювати нерегулярні поверхні, але виміри займають більше часу.

Маючи високу чутливість, тунельні мікроскопи, що сканують, дали людству можливість побачити атоми провідників і напівпровідників. Але через конструктивні обмеження, на СТМ неможливо отримати зображення непровідних матеріалів. Крім того, для якісної роботитунельного мікроскопа необхідно виконання низки дуже строгих умов, зокрема, роботи у вакуумі та спеціальної підготовки зразка. Таким чином, хоч і не можна сказати, що перший млинець Бінніга і Ререра вийшов комом, але продукт вийшов трохи сируватий.

Пройшло п'ять років і Герхард Біннінг спільно з Калвіном Куейтом і Крістофером Гербером винайшли новий тип мікроскопа, названий ними атомно-силовим мікроскопом (АСМ), за що в тому ж 1986р. Г. Бінніг і Х. Ререр були удостоєні Нобелівської премії в галузі фізики. Новий мікроскоп дозволив оминути обмеження свого попередника. За допомогою АСМ можна отримувати зображення поверхні як провідних, так і непровідних матеріалів з атомною роздільною здатністю, причому в атмосферних умовах. Додатковим перевагою атомно-силовых мікроскопів є можливість поруч із вимірами топографії поверхонь візуалізувати їх електричні, магнітні, пружні та інших. властивості.

Атомно-силовий мікроскоп (АСМ), його будова та принцип дії

Найважливішою складовою AСM (атомно-силового мікроскопа)є скануючі зонди – кантилевери, властивості мікроскопа залежать від властивостей кантилевера.

Кантилевер є гнучкою балкою (175х40х4 мкм - усереднені дані) з певним коефіцієнтом жорсткості k(10-3 - 10 Н/м), на кінці якої знаходиться мікро голка (рис 1). Діапазон зміни радіусу заокруглення Rнаконечника голки з розвитком AFM змінювався від 100 до 5 нм. Очевидно, що із зменшенням Rмікроскоп дозволяє отримувати зображення з вищою роздільною здатністю. Кут при вершині голки a- також важлива характеристика зонда, від якої залежить якість зображення. aу різних кантилеверах змінюється від 200 до 700, не важко припустити, що чим менше a, тим вище якість одержуваного зображення.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image007_32.gif" width="113 height=63" height="63">,

тому для підвищення w0 Довжина кантилевера (від якої залежить коефіцієнт жорсткості) становить близько кількох мікрон, а маса не перевищує 10-10 кг. Резонансні частоти різних кантилеверів коливаються від 8 до 420 кГц.

Метод сканування за допомогою AFM наступний (рис 2) : голка зонда знаходиться над поверхнею зразка, при цьому зонд щодо зразка здійснює рухи, подібно до променя в електроннопроменевій трубці телевізора (рядкове сканування). Лазерний промінь, спрямований на поверхню зонда (яка згинається відповідно до ландшафту зразка), відбившись, потрапляє на фотоприймач, що фіксує відхилення променя. При цьому відхилення голки при скануванні спричинене міжатомною взаємодією поверхні зразка з її наконечником. За допомогою комп'ютерної обробки сигналів фотоприймача вдається отримати тривимірні зображення поверхні досліджуваного зразка.

https://pandia.ru/text/78/034/images/image009_11.jpg" width="250" height="246">
Мал. 8. Залежність сили міжатомної взаємодії від відстані між вістрям та зразком

Сили взаємодії зонда з поверхнею поділяють на короткодіючі та далекодіючі. Короткодіючі сили виникають з відривом порядку 1-10A при перекритті електронних оболонок атомів вістря голки і швидко падають зі збільшенням відстані. У короткодіє взаємодію Космосу з атомами поверхні входить лише кілька атомів (у межах один) вістря голки. При отриманні зображення поверхні за допомогою цього типу сил АСМ працює у контактному режимі.

Існують контактний режим сканування, коли голка зонда стосується поверхні зразка, переривчастий - зонд при скануванні періодично стосується поверхні зразка і безконтактний, коли зонд знаходиться в декількох нанометрах від поверхні, що сканується (останній режим сканування рідко використовується, тому що сили взаємодії зонда із зразком практично важко зафіксувати).

Можливості СТМ

СТМ навчили як розрізняти окремі атоми, а й визначати їх форму.
Багато хто ще не встиг до кінця усвідомити той факт, що скануючі тунельні мікроскопи (СТМ) можуть розпізнавати індивідуальні атоми, як уже зроблено наступний крок: тепер стало можливим визначення навіть формиокремого атома у реальному просторі (точніше – форми розподілу електронної щільності навколо атомного ядра).

Близькопольний оптичний мікроскоп, його будова та принцип дії

Близькопольна оптична мікроскопія; в ній зондом служить оптичний хвилевід (світловолокно), що звужується на тому кінці, який звернений до зразка, діаметром менше довжини хвилі світла. Світлова хвиля при цьому не виходить із хвилеводу на велику відстань, а лише злегка "вивалюється" з його кінчика. На іншому кінці хвилеводу встановлені лазер та приймач відбитого від вільного торця світла. При малій відстані між досліджуваною поверхнею і кінчиком зонда амплітуда і фаза відбитої світлової хвилі змінюються, що служить сигналом, що використовується при побудові тривимірного зображення поверхні.

Якщо змусити світло пройти через діафрагму діаметром 50-100 нм і наблизити її на відстань кілька десятків нанометрів до поверхні досліджуваного зразка, то, переміщуючи такий по поверхні від точки до точки (і володіючи досить чутливим детектором), можна досліджувати оптичні властивості даного зразка у локальній області, що відповідає розміру отвору.

Саме так влаштований блискучий оптичний мікроскоп (СБОМ), що сканує. Роль отвору (субхвильової діафрагми) зазвичай виконує оптоволокно, один кінець якого загострений і покритий тонким шаром металу, скрізь, крім невеликої області на самому кінчику вістря (діаметр «незапиленої» області становить 50-100 нм). З іншого кінця в такий світловод надходить світло від лазера.

Грудень 2005 р. у грудні 2005 року і є однією з базових лабораторій кафедри нанотехнології фізичного факультету РГУ. НТ-МДТ (м. Зеленоград, Росія) для проведення лабораторних робіт.

Рис.10 Лабораторія скануючої зондової мікроскопії

Розвиток скануючої зондової мікроскопії стало основою для розвитку нового напряму нанотехнології – зондової нанотехнології.

Література

1. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. 7 і 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space // Phys. Rev. Lett. 1983. Vol. 50 № 2. P. 120-123. Цією знаменитою публікацією відкрилася доба СТМ.

2. http://www. *****/obrazovanie/stsoros/1118.html

3. http://ua. Wikipedia. org

4. http://www. *****/SPM-Techniques/Principles/aSNOM_techniques/Scanning_Plasmon_Near-field_Microscopy_mode94.html

5. http://scireg. *****.

6. http://www. *****/article_list. html

Клас мікроскопів для отримання зображення поверхні та її локальних характеристик. Процес побудови зображення ґрунтується на скануванні поверхні зондом. У загальному випадку дозволяє отримати 3-мірне зображення поверхні (топографію) з високою роздільною здатністю.

Скануючий зондовий мікроскоп у сучасному вигляді був винайдений Гердом Карлом Біннігом та Генріхом Рорером у 1981 році. За цей винахід у 1986 році були нагороджені Нобелівською премією з фізики.

Відмінною особливістю всіх мікроскопів є мікроскопічний зонд, який контактує з досліджуваною поверхнею, і при скануванні переміщається деякою ділянкою поверхні заданого розміру.

Контакт зонда та зразка передбачає взаємодію. Природа взаємодії визначає приладдя до типу зондових мікроскопів. Інформація про поверхню витягується за допомогою системи зворотного зв'язку або детектування взаємодії зонда та зразка.

Система реєструє значення функції, яка залежить від відстані зонд - зразка.

Типи скануючих зондових мікроскопів.

Скануючий атомно-силовий мікроскоп

Скануючий тунельний мікроскоп

Оптичний мікроскоп.

Скануючий тунельний мікроскоп

Один з варіантів скануючого мікроскопа, призначений для зміни рельєфу провідних систем з високою роздільною здатністю.

Принцип роботи заснований на проходження електроном потенційного бар'єру внаслідок розриву електричного ланцюга- Невеликий проміжок між зондуючим мікроскопом і поверхнею зразка. Гостра металева голка підводиться до зразка на відстань кількох ангстрем. При подачі голку невеликого потенціалу виникає тунельний струм, величина якого експоненційно залежить від відстані зразок - голка. На відстані 1ангстремма зразок – голка значення сили струму коливається від 1 до 100 пА.

При скануванні зразка голка рухається вздовж її поверхні, тунельний струм підтримується рахунок зворотного зв'язку. Показання системи змінюється рахунок топографії поверхні. Зміна поверхні фіксується і цій підставі будується карта висот.

Інший метод передбачає рух голки на фіксованій висоті над поверхнею зразка. У цьому випадку змінюється величина тунельного струму та на основі цих змін йде побудова топографії поверхні.

Малюнок 1. Схема роботи скануючого тунельного мікроскопа.

Скануючий тунельний мікроскоп включає:

Зонд (голка)

Систему переміщення зона за координатами

Реєструвальну систему

Реєструюча система фіксує значення функції, яка залежить від величини струму між голкою і зразком, або переміщення по осі Z. Реєструється значення обробляється системою зворотного зв'язку, керуючи положенням зразка або зонда по осі координат. Як зворотний зв'язок використовується під - регулятор (пропорційно - інтегрально - диференціюючий регулятор).

Обмеження:

Умова провідності зразка (поверхневий опір має бути не більше 20 МОм/см2).

Глибина канавки повинна бути меншою за її ширину, інакше спостерігатиметься тунелювання з бічних поверхонь.