Техника измерений атомно-силовой микроскопии

Получение ACMизображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В атомно-силовой микроскопии для этой цели широко используются оптические методы (рис. 7.4).

Оптическая система ACMюстируется таким образом, чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника [1]. В качестве позиционно чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды. Основные регистрируемые оптической системой параметры - это деформации изгиба консоли под действием Z- компонент сил притяжения или отталкивания ()и деформации кручения консоли под действием латеральных компонент сил ()взаимодействия зонда с поверхностью. Если обозначить исходные значения фототока в секциях фотодиода через I_oi,,,, а через - значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика ACM.

 

Рис. 7.4. Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового датчика АСМ [1].

 

Действительно, разность токов вида

 

пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца (рис. 5(a)). А комбинация разностных токов вида

 

характеризует изгиб консоли под действием латеральных сил (рис. 7.5(6)).

 

Рис. 1.5. Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчика и изменением положения пятна засветки на фотодиоде [1].

Величина ∆используется в качестве входного параметра в петле

обратной связи атомно-силового микроскопа (рис. 7.6). Система обратнойсвязи (ОС) обеспечивает ∆⁼constс помощью пьезоэлектрического

 

исполнительного элемента, который поддерживает изгиб консоли ∆Zравным величине задаваемой оператором.

При сканировании образца в режиме ∆Z= constзонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z=f(x,y).Пространственное разрешение ACMопределяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонения консоли. В настоящее время реализованы конструкции ACM, позволяющие получать атомарное разрешение при исследовании поверхности образцов. Разрешение скана образца зависит не только от радиуса закругления зонда, но и от шероховатости поверхности. Именно поэтому при исследовании биологических объектов шероховатость подложки должна быть меньше структурных особенностей исследуемых объектов.

 

 

Рис. 7.6. Упрощённая схема организации обратной связи в атомно-силовом микроскопе[1].

 

Зондирование поверхности в атомно-силовом микроскопепроизводится с помощью специальных зондовых датчиков, представляющих собой упругую консоль -кантилевер (cantilever) с острым зондом на конце (рис. 7.7). Датчики изготавливаются методами фотолитографии и травления из кремниевых пластин. Упругие консоли формируются из тонких слоев легированного кремния, Siили.

Один конец кантилевера жестко закреплен на кремниевом основании-держателе. На другом конце консоли располагается собственно зонд в виде острой иглы. Радиус закругления современных ACMзондов составляет 1-5 нм в зависимости от типа зондов и технологии их изготовления. Угол при вершине зонда - 10-20°. Силу взаимодействия зонда с поверхностью Fможно оценить следующим образом:

 

где к - жесткость кантилевера; ∆Z- величина, характеризующая его изгиб.

Коэффициенты жесткости кантилеверов k варьируются в зависимости от используемых при их изготовлении материалов и геометрических размеров. При работе зондовых ACMдатчиков в колебательных режимах важны резонансные свойства кантилеверов.

Собственные частоты изгибных колебаний консоли прямоугольного сечения определяются следующей формулой:

 

 

где l - длина консоли; Е - модуль Юнга; J- момент инерции сечения консоли; ρ - плотность материала; S- площадь поперечного сечения; Д - численный коэффициент (в диапазоне 1-100), зависящий от моды изгибных колебаний.

Как видно резонансная частота кантилевера определяется его геометрическими размерами и свойствами материала. Частоты основных мод лежат в диапазоне 10-1000 кГц.

 

Рис.7.7. Схематичное изображение зондового датчика АСМ[1].

 

Добротность кантилеверов, в основном, зависит от той среды, в которой они работают. Типичные значения добротности при работе в вакууме составляют 10³ - 10⁴. На воздухе добротность снижается до 300 - 500, а в жидкости падает до 10 - 100.

В атомно-силовой микроскопии применяются зондовые датчики двух типов - с кантилевером в виде балки прямоугольного сечения и с треугольным кантилевером, образованным двумя балками. Общий вид зондовых датчиков с кантилевером в виде балки прямоугольного и треугольного сечений представлены на рис.1.8.

 

Рис. 7.8. Общий вид зондового АСМ датчика с одиночной консолью прямоугольного сечения (А) и с одиночной консолью треугольного сечения (Б) [1].

 

Рис. 7.9. Электорнно-микроскопическое изображения АСМ зонда, расположенного на прямоугольной консоли.

На рис. 7.9. показаны электронно-микроскопические изображения выпускаемых серийно зондовых датчиков NSG11 с консолью прямоугольного сечения компании НТ-МДТ. Иногда зондовые датчики ACMимеют несколько кантилеверов различной длины (а значит, и различной жесткости) на одном основании. В этом случае выбор рабочей консоли осуществляется соответствующей юстировкой оптической системы атомно-силового микроскопа.

Зондовые датчики с треугольным кантилевером имеют при тех жеразмерах большую жесткость и, следовательно, более высокиерезонансные частоты. Чаще всего они применяются в колебательных ACMметодиках.

 

Рис. 7.10. Электронно-микроскопическое изображение АСМ зонда, расположенного на треугольном кантилевере (сверху) и модельному изображение взаимодействия атомов зонда с атомами поверхности (снизу).

 

Общий вид и габариты зондовых датчиков с треугольной консолью представлены на рис. 7.10. Изготовление зондовых датчиков для ACMпредставляет собой достаточно сложный технологический процесс, включающий в себя операции фотолитографии, ионной имплантации, химического и плазменного травления.