Сканерлік зондты микроскопия: беткейлерді зерттеу әдісі

Кіріспе

Микроскопияның саласы

Сканерлік зондтық микроскопия (СЗМ) – физикалық зондты пайдаланып, беттердің кескінін құратын микроскопияның бір саласы. СЗМ 1981 жылы атомдық деңгейде беттерді бейнелейтін сканерлік туннельдік микроскоптың ойдағыдай жасалуымен құрылды. Алғашқы сәтті сканерлік туннельдік микроскоп тәжірибесін Герд Биннинг пен Генрих Рорер жүргізді. Олардың табысының кілті – сынама мен зонд арасындағы аралықты реттеу үшін кері байланыс тізбегін қолдану болды. Көптеген сканерлік зондтық микроскоптар бір уақытта бірнеше өзара әрекеттесуді бейнелей алады. Осы өзара әрекеттесулерді кескін алу үшін пайдалану әдісі әдетте режим деп аталады. Ажыратым қабілеті әр техникаға қарай өзгереді, бірақ кейбір зондтық техникалар өте әсерлі атомдық ажыратым қабілетке жетеді. Бұл негізінен пьезоэлектрлік актuatorлар электрондық команда бойынша атомдық деңгейде немесе одан да жақсы дәлдікпен қозғалыстарды орындай алуына байланысты. Бұл техникалар отбасын "пьезоэлектрлік техникалар" деп атауға болады. Тағы бір ортақ белгі – деректер әдетте екі өлшемді тор түріндегі деректер нүктелері ретінде алынып, компьютерлік кескін ретінде жалған түспен көрсетіледі.

Сурет құру

Суреттерді жасау үшін сканерлік зонд микроскопы ұшын үстіңгі бетінен растрлік түрде жылжытады. Растрлік сканерлеу кезіндегі дискретті нүктелерде белгілі бір мән тіркеледі (қай мән SPM түріне және жұмыс режиміне байланысты, төменде қараңыз). Тіркелген мәндер соңғы STM суреттерін көрсету үшін жылу картасы түрінде пайдаланылады, көбінесе қара-ақ немесе қызғылт түсті шкала қолданылады.

Тұрақты өзара іс-қимыл режимі

Тұрақты өзара әрекеттесу режимінде (көбінесе "кері байланыс" деп аталады) зерттеп жатқан бетке (z осьінде) зондты физикалық түрде жақындату немесе одан әрі жылжыту үшін кері байланыс циклы қолданылады, осы арқылы тұрақты өзара әрекеттесу сақталады. Бұл өзара әрекеттесу SPM түріне байланысты: сканерлік туннельдік микроскопия үшін – туннельдік ток, контакттық режимдегі AFM немесе MFM үшін – консольдің иілуі және т.б. Кері байланыс циклының түрі әдетте PI циклы болып табылады, ол дифференциалдық күшейту нөлге теңелген PID циклы (өйткені ол шуды күшейтеді). Ұштың z-позициясы (сканерлеу жазықтығы xy жазықтығы) мерзімді түрде жазылады және жылу картасы ретінде көрсетіледі. Бұл әдетте топографиялық бейне деп аталады. Бұл режимде "қате сигналы" немесе "қате бейнесі" деп аталатын екінші бейне де алынады, ол кері байланысқа түскен өзара әрекеттесудің жылу картасы болып табылады. Кері байланыс жүйесінің қалыпты жұмысында бұл бейне кері байланыс циклында орнатылған тұрақты мәнде бос болуы керек. Бірақ нақты жұмыс кезінде бейне шуды және көбінесе беттік құрылымның белгілерін көрсетеді. Пайдаланушы бұл бейнені қате сигналының ерекшеліктерін азайту үшін кері байланыс күшейтуін реттеуге пайдалана алады. Күшейту дұрыс орнатылмаса, көптеген бейнелеу артефактілері пайда болуы мүмкін. Егер күшейту өте төмен болса, ерекшеліктер бүркеленгендей көрінеді. Егер күшейту тым жоғары болса, кері байланыс тұрақсыз болып, тербеліске түсуі мүмкін, нәтижесінде бейнелерде физикалық емес жолақты белгілер пайда болады.

Тұрақты биіктік режімі

Тұрақты биіктік режимінде зонд растрлік сканерлеу кезінде z осьінде жылға алмайды. Оның орнына, зерттеліп жатқан өзара әрекеттесудің шамасы тіркеледі (мысалы, STM үшін туннельдік ток немесе амплитудалық модуляцияланған жатықсыз AFM үшін консольдің тербеліс амплитудасы). Тіркелген бұл ақпарат жылу картасы түрінде көрсетіледі және әдетте тұрақты биіктіктегі кескін деп аталады. Тұрақты биіктіктегі кескін жасау, тұрақты өзара әрекеттесу кескінінен әлдеқайда қиын, себебі зондтың үлгі бетіне соқтығып кету мүмкіндігі жоғары. Әдетте, тұрақты биіктікте кескінге түсіру алдында, кескіндеу аймағында үлкен ластанушылардың жоқтығын тексеру, үлгінің еңістігін өлшеп түзету және (әсіресе баяу сканерлеу кезінде) үлгінің жылулық қатеуілігін өлшеп түзету қажет. Пиэзоэлектрлік деформация да проблема тудыруы мүмкін, сондықтан микроскопқа тұрақты биіктікте кескіндеуді жүргізу үшін үлкен қозғалыстардан кейін тұрақтандыруға уақыт керек. Тұрақты биіктіктегі кескіндеу кері байланыс артефактілерінің пайда болуын болдырмауға мүмкіндік береді.

Зонд ұштары

SPM зонды ұшының сипаты қолданылатын SPM түріне толыққанды байланысты. Ұшының пішіні мен үлгінің топографиясының үйлесімі SPM кескінін құрайды. Дегенмен, барлық немесе кемінде көптеген SPM-дерге ортақ белгілі бір ерекшеліктер бар. Ең маңыздысы – зондтың өте өткір ұшы болуы керек. Зондтың ұшы микроскоптың ажыратымдылығын анықтайды, зонд неғұрлым өткір болса, ажыратымдылық та соғұрлым жақсы болады. Атомдық ажыратымдылықта суретке түсіру үшін зондтың ұшы бір атоммен аяқталуы тиіс. Көптеген консольдік SPM-дерде (мысалы, AFM және MFM) бүкіл консоль мен интеграцияланған зонд қышқылмен (әдетте кремний нитридінен) жасалады. Басқаларының ішінде STM және SCM үшін қажетті өткізгіш зондтар әдетте платина/иридий сымынан (қоршаған ортада жұмыс істегенде) немесе вольфрамнан (UHV жағдайында жұмыс істегенде) жасалады. Алтын сияқты басқа материалдар кейде үлгіге қатысты себептермен немесе SPM басқа эксперименттермен (мысалы, TERS) біріктірілгенде қолданылады. Платина/иридий (және басқа да қоршаған орта) зондтары әдетте өткір сым кескіштерін пайдаланып кесіледі, ең оңтайлы әдіс – сымның көп бөлігін кесіп, содан кейін сымның қалған бөлігін сындырып, бір атоммен аяқталу мүмкіндігін арттыру. Вольфрам сымдары әдетте электрохимиялық әдіспен өңделеді, одан кейін зонд UHV жағдайында болғанда оксид қабатын жою қажет. SPM зондтарының (сатып алынған және өздігінен жасалған) қажетті ажыратымдылықпен бейнелемеуі жиі кездеседі. Бұл зондтың тым жуан болуынан немесе зондтың бірнеше ұшы болуынан туындауы мүмкін, нәтижесінде екі еселенген немесе көлеңкелі сурет пайда болады. Кейбір зондтар үшін ұшының ин-ситу модификациясы мүмкін, бұл әдетте зондты бетке соғып немесе үлкен электр өрісін қолдану арқылы жасалады. Соңғысы зонд пен үлгі арасындағы кернеуді (шамамен 10 В) қолдану арқылы жүзеге асырылады, өйткені бұл қашықтық әдетте 1-3 Ангстремді құрайды, сондықтан өте күшті өріс туындайды. Өткізгіш зондтың ұшына кванттық нүктені қосымша бекіту, жоғары жақтық ажыратымдылықпен беттік потенциалды бейнелеуге мүмкіндік береді, бұл кванттық нүктені сканерлеу микроскопиясы деп аталады.

The nature of an SPM probe tip depends entirely on the type of SPM being used. The combination of tip shape and topography of the sample make up a SPM image. However, certain characteristics are common to all, or at least most, SPMs. Most importantly the probe must have a very sharp apex. The apex of the probe defines the resolution of the microscope, the sharper the probe the better the resolution. For atomic resolution imaging the probe must be terminated by a single atom. For many cantilever based SPMs (e. g. AFM and MFM), the entire cantilever and integrated probe are fabricated by acid [etching], usually from silicon nitride. Conducting probes, needed for STM and SCM among others, are usually constructed from platinum/iridium wire for ambient operations, or tungsten for UHV operation. Other materials such as gold are sometimes used either for sample specific reasons or if the SPM is to be combined with other experiments such as TERS. Platinum/iridium (and other ambient) probes are normally cut using sharp wire cutters, the optimal method is to cut most of the way through the wire and then pull to snap the last of the wire, increasing the likelihood of a single atom termination. Tungsten wires are usually electrochemically etched, following this the oxide layer normally needs to be removed once the tip is in UHV conditions. It is not uncommon for SPM probes (both purchased and "home made") to not image with the desired resolution. This could be a tip which is too blunt or the probe may have more than one peak, resulting in a doubled or ghost image. For some probes, in situ modification of the tip apex is possible, this is usually done by either crashing the tip into the surface or by applying a large electric field. The latter is achieved by applying a bias voltage (of order 10V) between the tip and the sample, as this distance is usually 1 3 Angstroms, a very large field is generated. The additional attachment of a quantum dot to the tip apex of a conductive probe enables surface potential imaging with high lateral resolution, scanning quantum dot microscopy.

Артықшылықтар

Микроскоптардың ажыратымдылығы дифракциямен шектелмейді, тек зондтың сынамамен өзара әрекеттесу көлемінің мөлшерімен (яғни, нүктелік таралу функциясы) ғана шектеледі, ол бірнеше пикометрге дейін кіші болуы мүмкін. Сондықтан, нысанның биіктігіндегі шағын жергілікті айырмашылықтарды өлшеу мүмкіндігі (мысалы, <100> кремнийдегі 135 пикометрлік қадамдар сияқты) бұрынғысынан жоғары. Зондтың сынамамен өзара әрекеттесуі тек зонд ұшындағы атомдар немесе өзара әрекеттесуге қатысқан атомдар арқылы жүзеге асады. Бұл өзара әрекеттесуді пайдаланып, сынаманы өзгертуге және кішкентай құрылымдар жасауға болады (сканерлеу зонды литографиясы). Электрондық микроскоп әдістерінен өзгеше, сынамалар жартылай вакуумды қажет етпейді, оларды стандартты температура және қысымдағы ауада немесе сұйық реакциялық ыдыста суға батырып зерттеуге болады.

Кемшіліктер

Сканерлеу ұшының толық пішінін анықтау кейде қиынға соғады. Оның нәтижелі деректерге тигізетін әсері, егер үлгі 10 нм немесе одан кем көлденең арақашықтықта биіктігі күрт өзгерсе, ерекше байқалады. Сканерлеу техникалары, әдетте, сканерлеу процесіне байланысты кескіндерді алуда баяу болады. Сондықтан, сканерлеу жылдамдығын едәуір арттыруға күш салынып жатыр. Барлық сканерлеу техникалары сияқты, кеңістіктік ақпаратты уақыт тізбегіне енгізу метрологиядағы белгісіздіктерге мүмкіндік береді, мысалы, көлденең аралықтар мен бұрыштардағы қателер, олар үлгінің жылжуы, кері байланыс контурының тербелісі және механикалық діріл сияқты уақыт доменінің әсерлерінен туындайды. Кескіннің максималды мөлшері көбінесе кіші болады. Сканерлік зондтық микроскопия көмілген қатты-қатты немесе сұйық-сұйық интерфейстерді зерттеу үшін көбінесе тиімді емес.

Скандық фототоқ микроскопиясы (SPCM)

SPCM сканерлік зонд микроскопиясы (SPM) отбасының мүшесі ретінде қарастырылуы мүмкін. SPM және SPCM арасындағы ерекшелік, SPCM зонд ұшының орнына жергілікті қоздыру көзі ретінде шоғырланған лазер сәулесін қолданады. Материалдардың кеңістіктегі оптикалық қасиеттерін сипаттау және талдау оптоэлектроника саласында маңызды рөл атқарады. Бұл материалдың қасиеттері бетінде немесе ішкі құрылымында қалай өзгеретінін зерттеуді білдіреді. Кеңістікте ажыратылатын оптоэлектрондық өлшемдерді жүзеге асыратын техникалар, оптикалық өнімділікті жақсарту үшін маңызды мәліметтер береді. Сканерлеуші электронды микроскопия (СЭМ) жартылай өткізгіш наноқұрылымдардың кеңістіктегі оптоэлектрондық қасиеттерін зерттеуге мүмкіндік беретін қуатты әдіс ретінде дамыды.

Принцип

SPCM-де жартылай өткізгіш материалды экситон (электрон-тесік жұптары) тудыру үшін фокусланған лазерлік сәуле қолданылады. Бұл экситондар түрлі механизмдерден өтеді және егер олар рекомбинацияға ұшырамас бұрын жақын орналасқан электродтарға жетсе, фототок пайда болады. Бұл фототоктың шамасы құрылғы сканерленген орнына байланысты өзгереді.

SPCM талдау

Позицияға тәуелді фототок картасын пайдалану арқылы фототоктың маңызды динамикасын талдауға болады. SPCM сипаттамалық ұзындығы, мысалы, азшылық диффузия ұзындығы, рекомбинация динамикасы, допингтік концентрация, ішкі электр өрісі сияқты мәліметтерді ұсынады.

Визуализация және талдау бағдарламалық жасақтамасы

Барлық жағдайларда, оптикалық микроскоптардан өзгеше, кескіндерді алу үшін рендерлеу бағдарламалық қамтамасы қажет. Мұндай бағдарламалық қамтамасты құрал жасаушылар өндіріп, құралға енгізеді, бірақ сондай-ақ мамандандырылған топтар немесе компаниялардан қосымша жабдық ретінде де алуға болады. Көбінесе қолданылатын бағдарламалар тегін: Gwyddion, WSxM (Nanotec әзірлеген), ал коммерциялық бағдарламалар: SPIP (Image Metrology әзірлеген), FemtoScan Online (Advanced Technologies Center әзірлеген), MountainsMap SPM (Digital Surf әзірлеген), TopoStitch (Image Metrology әзірлеген).