Многопроходные методики электро-силовой микроскопии

Электро-силовая Микроскопия (ЭСМ): может быть использована в нескольких вариантах, в зависимости от типа исследуемого образца и вида необходимой информации.

Наиболее распространеной является Бесконтактная ЭСМ, основанная на двухпроходной методике. На втором проходе кантилевер приводится в колебательное состояние на резонансной частоте, при этом кантилевер заземлен или находится под действием постоянного смещения потенциала V. Емкостная сила взаимодействия зонд-образец (или скорее ее производная) приводит к сдвигу резонансной частоты. Соответственно амплитуда колебаний кантилевера уменьшается и фаза его колебаний сдвигается. При этом и амплитуда и фаза колебаний могут быть измерены и использованы для отображения распределение электрического потенциала по поверхности образца.

Отображение отклонений амплитуды или фазы определяются емкостной зонд-образец силовой производной, т. е. второй производной емкости зонд-образец. В результате бесконтактная ЭСМ приводит к более высокому разрешению, поскольку отношение паразитной емкости конуса зонда и плоской части кантилевера к полезной емкости системы кончик зонда — образец минимизируется.

Магнитно-силовая микроскопия (МСМ): делится на статическую и динамическую. Статическая Магнитно-Силовая Микроскопия (СМСМ) является эффективным средством исследований магнитных структур на субмикронном уровне. Получаемые с помощью МСМ изображения являются пространственным распределением некоторого параметра, характеризующего магнитное взаимодействие зонд-образец, например, силу взаимодействия, амплитуду колебаний магнитного зонда и т. д. МСМ измерения позволяют проводить исследования магнитных доменных структур с высоким пространственным разрешением, записи и считывания информации в магнитной среде, процессов перемагничивания и т. д. Например, можно четко увидеть доменную структуру поверхности магнитного диска, полученная с применением МСМ.

В СМСМ на втором проходе регистрируется отклонение неколеблющегося кантилевера. Это отклонение обусловлено магнитным взаимодействием зонда с образцом (подобно взаимодействию, регистрируемому в Контактном Методе). Величина магнитной силы, действующей на зонд, может быть определена путем умножения отклонения кантилевера на величину его жесткости. Вследствие малой величины магнитного зонда его можно рассматривать как точечный магнитный диполь.

В динамической МСМ (ДМСМ) на втором проходе для детектирования магнитного поля используется колеблющийся с резонансной частотой кантилевер (как при использовании Бесконтактного или Прерывисто-контактного методов). При этом детектируется производная магнитной силы.

Метод Зонда Кельвина: был предложен для измерения контактной разности потенциалов между зондом и образцом. Применяемый в настоящее время Метод Зонда Кельвина основывается на двухпроходной методике. В первом проходе определяется рельеф поверхности образца с использованием Прерывисто-контактного метода (колебания кантилевера возбуждаются механически). На втором проходе этот рельеф отслеживается при прохождении над образцом на некоторой высоте для определения поверхностного электрического потенциала Ф (x). В течение этого второго прохода колебания кантилевера возбуждаются не механически, а электрически путем приложения к зонду напряжения смещения содержащего статическую и динамическую компоненты. В результате распределение V dc (x) будет отражать распределение поверхностного потенциала по поверхности образца. Если на зонд не подается постоянное смещение, то это распределение представляет распределение Контактной Разности Потенциалов.

Ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ): Разрешение классических оптических микроскопов ограничивается дифракционным пределом Аббе на уровне примерно половины длины волны. Однако этот предел может быть преодолен. Изображение со сверхвысоким разрешением может быть получено путем регистрации излучения, проходящего через отверстие с размерами менее длины волны при сканировании объекта. Сканирующая ближнепольная микроскопия, основанная на этом принципе, продемонстрировала возможность применения микроволнового излучения 1/60 длины волны. В световой области длин волн этот принцип (оптической стетоскопии, ближнепольная оптическая микроскопия, СБОМ) использовали с применением оптического волокна для отображения ряда образцов с различными механизмами получения оптического контраста.

Для того, чтобы такая система была практичной и могла быть использована для образцов с самым различным рельефом необходим механизм, обеспечивающий автоматизированный подвод малоразмерной диафрагмы к исследуемой поверхности на заданное расстояние и поддерживающий это расстояние постоянным в процессе сканирования. Был предложен целый ряд таких механизмов для СБОМ и соответствующих методик, основанных на использовании затухающих волн, включая туннелирование электронов, фотонное туннелирование, измерения емкости, ближнепольное отражение и пр.

В настоящее время наиболее используемый метод поддержания расстояния зонд-образец основывается на измерении поперечно-силового взаимодействия ближнепольного зонда и образца. Использование основанной на поперечно-силовом взаимодействии системы измерений позволяет проводить определение рельефа поверхности образца. Она же наряду с поперечно — силовой микроскопией позволяет проводить ближнепольные измерения с использованием Метода Пропускания для прозрачных образцов, Метода Отражения для непрозрачных образцов и Люминесцентного Метода для дополнительной характеризации образцов.