Системный подход к созданию зондовых сканирующих микроскопов

В зависимости от используемого физического эффекта взаимодействия зонда— иглы с исследуемой поверхностью различают сканирующие туннельные микроскопы (СТМ) и атомно-силовые микроскопы (ACM). Также развиваются и другие конструкции, например, близкопольные сканирующие микроскопы. Все они объединены общим названием —.

сканирующие зондовые микроскопы.

Таким образом, сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) представляет собой прибор, который предоставляет возможность исследовать свойства поверхности в субмикронном диапазоне и на атомарном уровне.

Известные конструкции сканирующих зондовых микроскопов состоят из следующих основных элементов:

• ? сенсор;
• ? пьезоэлектрические двигатели и (или) датчики;
• ? устройство управления — электронная цепь обратной связи;
• ? устройство обработки и индикации информации.

Приведем краткую характеристику этих элементов.

Сенсоры

Основными типами сенсоров являются туннельный и атомно-силовой.

Туннельный сенсор представляет собой зонд — металлическое острие с малым радиусом закругления на основе одиночных атомов или даже с последним атомом на острие (рис. 7.6).

Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние Ю А, то при приложении между острием и образцом небольшого напряжения смещения Г, (0,0!—10 В), через вакуумный промежуток d начинает протекать туннельный ток /, порядка КГ⁹ пА. Электроны из образца туннелируют через туннельный промежуток в иглу или, наоборот, в зависимости от знака приложенного напряжения смещения. Полагая, что электронные состояния (орбитали) локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении х или у с одновременным измерением выходного сигнала в цепи г можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне. Эта структура может быть отображена в двух режимах:

• ? измеряя туннельный ток и поддерживая расстояние d от острия до поверхности образца;
• ? измеряя изменения в положении острия (т. е. расстояние до поверхности образца) при постоянном туннельном токе (этот режим используется чаще).

Таким образом, туннельный ток используется как механизм для получения картины исследуемой поверхности. Для его возникновения необходимо, чтобы образец и игла были проводниками, либо полупроводниками.

В качестве микроострия могут выступать отдельные атомы на зонде (атомно-силовой сенсор). В связи с этим такой сенсор является идеальным зондом для изучения рельефа поверхности в атомарном масштабе.

В атомно-силовом микроскопе используется механический зонд кантилевер — V- или L- образная консоль, на конце которой укреплено пирамидальное острие. Кантилеверы производятся из кремния (жесткие) или из нитрида кремния (мягкие).

В процессе перемещения кантилевера вдоль поверхности на него действуют силы, которые отклоняют кантилевер от положения равновесия (рис. 7.7). В соответствии с законом Гука соотношение между действующей на кантилевер силой F_u и отклонением х задается следующим выражением:

где к — коэффициент жесткости (к — 1 Н/м).

Рис. 7.7. Схема деформации кантилевера в процессе сканирования

Рис. 7.6. Игла на свободном конце кантилевера.

Для регистрации малых механических перемещений используется оптический латчик смещений, состоящий из полупроводникового лазера и квадрантного (четырехсекционного) фотодиода (рис. 7.8). Излучение полупроводникового лазера с длиной волны 650— 670 нм фокусируется объективом в пятно диаметром -5 мкм на отражающей поверхности кантилевера. Отраженный луч попадает на квадрантный фотодстектор.

Рис. 7.8. Принцип работы силового сенсора с оптическим датчиком смещений.

Вертикальное отклонение регистрируется по разностному сигналу (А + С) — (В + D), а крутильная деформация формирует сигнал (А + В) — (С + D).