Введение

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) – это раздел микроскопии, формирующий изображения поверхностей с использованием физического зонда, сканирующего образец. СЗМ зародилась в 1981 году с изобретением сканирующего туннельного микроскопа – прибора для визуализации поверхностей на атомном уровне. Первый успешный эксперимент со сканирующим туннельным микроскопом был проведен Гердом Биннигом и Генрихом Роррером. Ключом к их успеху стало использование контура обратной связи для регулирования расстояния между образцом и зондом. Многие сканирующие зондовые микроскопы способны одновременно регистрировать несколько взаимодействий. Способ использования этих взаимодействий для получения изображения обычно называют режимом. Разрешение несколько различается в зависимости от используемой методики, но некоторые зондовые методы достигают впечатляющего атомного разрешения. Это во многом обусловлено тем, что пьезоэлектрические актуаторы способны выполнять движения с точностью и аккуратностью на атомном уровне или даже выше по электронному сигналу. Это семейство методов можно назвать "пьезоэлектрическими методами". Общим для всех них является то, что данные обычно представляются в виде двумерной сетки точек, визуализированной в виде компьютерного изображения с использованием ложных цветов.

Образование изображения

Для формирования изображений сканирующие зондовые микроскопы последовательно сканируют кончиком по поверхности. В дискретных точках растрового сканирования регистрируется значение (какое именно значение зависит от типа SPM и режима работы, см. ниже). Эти зарегистрированные значения отображаются в виде тепловой карты для создания итоговых изображений STM, как правило, с использованием черно-белой или оранжевой цветовой шкалы.

Режим постоянного взаимодействия

В режиме постоянного взаимодействия (часто называемом "в обратной связи") используется контур обратной связи для физического перемещения зонда ближе или дальше от исследуемой поверхности (по оси z) с целью поддержания постоянного взаимодействия. Это взаимодействие зависит от типа SPM: для сканирующей туннельной микроскопии – туннельный ток, для контактного режима AFM или MFM – отклонение кантилевера и т.д. Обычно используется контур обратной связи типа PI, представляющий собой контур PID, в котором дифференциальный коэффициент усиления установлен в ноль (поскольку он усиливает шум). Z-координата наконечника (плоскость сканирования – плоскость xy) периодически регистрируется и отображается в виде тепловой карты. Это обычно называют топографическим изображением. В этом режиме также формируется второе изображение, известное как "сигнал ошибки" или "изображение ошибки", которое представляет собой тепловую карту взаимодействия, на основе которого осуществлялась обратная связь. При идеальной работе это изображение должно быть однородным, с постоянным значением, установленным в контуре обратной связи. В реальных условиях изображение содержит шум и часто отображает признаки структуры поверхности. Пользователь может использовать это изображение для корректировки коэффициентов усиления обратной связи с целью минимизации элементов в сигнале ошибки. При неправильной настройке коэффициентов усиления могут возникать различные артефакты изображения. Если коэффициенты усиления слишком низкие, детали могут выглядеть размытыми. Если коэффициенты усиления слишком высокие, обратная связь может стать нестабильной и начать колебаться, что приведет к появлению полосатых артефактов на изображении, не соответствующих реальной структуре поверхности.

Режим постоянной высоты

В режиме постоянной высоты зонд не перемещается по оси Z во время растрового сканирования. Вместо этого регистрируется значение изучаемого взаимодействия (например, туннельный ток для STM или амплитуда колебаний кантилевера для амплитудно-модулированной бесконтактной АСМ). Эта зарегистрированная информация отображается в виде тепловой карты и обычно называется изображением в режиме постоянной высоты. Получение изображений в режиме постоянной высоты значительно сложнее, чем в режиме постоянного взаимодействия, поскольку зонд гораздо чаще может столкнуться с поверхностью образца. Обычно перед получением изображения в режиме постоянной высоты необходимо провести сканирование в режиме постоянного взаимодействия, чтобы убедиться в отсутствии крупных загрязнений на поверхности в области сканирования, измерить и скорректировать наклон образца, а также (особенно при медленном сканировании) измерить и скорректировать тепловой дрейф образца. Пьезоэлектрическая ползучесть также может создавать проблемы, поэтому микроскопу часто требуется время на стабилизацию после больших перемещений перед началом получения изображения в режиме постоянной высоты. Получение изображений в режиме постоянной высоты может быть полезно для исключения возможности появления артефактов обратной связи.

Наконечники зондов

Характер кончика зонда SPM полностью зависит от типа используемого SPM. Сочетание формы кончика и топографии образца формирует изображение SPM. Однако некоторые характеристики общи для всех или, по крайней мере, большинства SPM. Наиболее важно, чтобы зонд имел очень острый апекс. Апекс зонда определяет разрешение микроскопа: чем острее зонд, тем выше разрешение. Для получения изображений с атомным разрешением зонд должен заканчиваться одним атомом. Для многих SPM на основе кантилевера (например, AFM и MFM) весь кантилевер и интегрированный зонд изготавливаются методом кислотного травления, обычно из нитрида кремния. Проводящие зонды, необходимые для STM и SCM, среди прочих, обычно изготавливаются из платиново-иридиевой проволоки для работы в окружающей среде или из вольфрама для работы в сверхвысоком вакууме. Иногда используются другие материалы, такие как золото, либо из-за специфических требований к образцу, либо если SPM планируется комбинировать с другими экспериментами, такими как TERS. Платиновые/иридиевые (и другие для работы в окружающей среде) зонды обычно отрезаются острыми кусачками. Оптимальный метод заключается в том, чтобы почти полностью перерезать проволоку, а затем потянуть, чтобы отломить оставшуюся часть, что повышает вероятность получения апекса, состоящего из одного атома. Вольфрамовые провода обычно подвергаются электрохимическому травлению, после чего, как правило, необходимо удалить оксидный слой после установки кончика в условиях сверхвысокого вакуума. Не редкость, когда зонды SPM (как приобретенные, так и изготовленные самостоятельно) не формируют изображение с желаемым разрешением. Это может быть связано с тупым апексом или наличием у зонда более одной вершины, что приводит к появлению двойного или "фантомного" изображения. Для некоторых зондов возможна модификация апекса in situ, обычно путем удара кончика о поверхность или приложения сильного электрического поля. Последнее достигается путем подачи напряжения смещения (порядка 10 В) между кончиком и образцом. Поскольку расстояние обычно составляет 1-3 ангстрема, генерируется очень большое поле. Дополнительное присоединение квантовой точки к апексу проводящего зонда позволяет получать изображения поверхностного потенциала с высоким боковым разрешением, что является основой сканирующей квантово-точечной микроскопии.

Преимущества

Разрешение микроскопов ограничено не дифракцией, а лишь размером объема взаимодействия зонда с образцом (то есть, функцией рассеяния точки), который может достигать всего нескольких пикометров. Таким образом, возможность измерения небольших локальных различий в высоте объекта (например, высоты ступеней в 135 пикометров на кремнии <100>) не имеет аналогов. В боковом направлении взаимодействие зонда с образцом ограничено одним или несколькими атомами, участвующими в этом взаимодействии. Это взаимодействие можно использовать для модификации образца и создания наноструктур (сканирующая зондовая литография). В отличие от методов электронной микроскопии, образцы не требуют частичного вакуума и могут наблюдаться на воздухе при стандартной температуре и давлении, либо при погружении в жидкую реакционную среду.

Недостатки

Детальную форму сканирующего наконечника иногда сложно определить. Его влияние на полученные данные особенно заметно, если высота образца значительно меняется на боковых расстояниях в 10 нм или менее. Методы сканирования, как правило, медленнее в процессе получения изображений из-за самого процесса сканирования. Поэтому прилагаются усилия для существенного увеличения скорости сканирования. Как и в случае любых методов сканирования, включение пространственной информации во временную последовательность создает возможности для погрешностей в метрологии, например, при измерении боковых размеров и углов, которые возникают из-за временных эффектов, таких как дрейф образца, колебания контура обратной связи и механические вибрации. Максимальный размер изображения обычно ограничен. Сканирующая зондовая микроскопия часто не подходит для исследования скрытых твердо-твердых или жидкостно-жидкостных интерфейсов.

Сканирующая фототоковая микроскопия (SPCM)

SPCM можно рассматривать как метод, относящийся к семейству микроскопии сканирующего зонда (SPM). Отличие SPCM от других методов SPM заключается в использовании сфокусированного лазерного луча в качестве локального источника возбуждения вместо зонда. Характеризация и анализ пространственно-разрешенного оптического поведения материалов имеет большое значение в оптоэлектронной промышленности. По сути, это изучение того, как свойства материала изменяются по его поверхности или в объеме. Методы, обеспечивающие пространственно-разрешенные оптоэлектронные измерения, предоставляют ценную информацию для улучшения оптических характеристик. SPCM стал мощным методом для исследования пространственно-разрешенных оптоэлектронных свойств полупроводниковых наноструктур.

Принцип

В SPCM сфокусированный лазерный луч используется для возбуждения полупроводникового материала, создающего экситоны (электронно-дырочные пары). Эти экситоны подвергаются различным механизмам, и если они успевают достичь ближайших электродов до рекомбинации, генерируется фототок. Этот фототок зависит от положения, поскольку происходит сканирование устройства растром.

Анализ SPCM

Используя карту фототока, зависящую от положения, можно анализировать важные динамические процессы фототока. SPCM предоставляет информацию, включая характеристические длины, такие как длина диффузии миноритарных носителей заряда, динамику рекомбинации, концентрацию примесей, внутреннее электрическое поле и т.д.

Программное обеспечение для визуализации и анализа

Во всех случаях, и в отличие от оптических микроскопов, для создания изображений требуется программное обеспечение для обработки. Такое программное обеспечение разрабатывается и интегрируется производителями приборов, но также доступно как дополнительное оборудование от специализированных групп или компаний. Основные используемые пакеты программ – бесплатные: Gwyddion, WSxM (разработанный Nanotec) и коммерческие: SPIP (разработанный Image Metrology), FemtoScan Online (разработанный Advanced Technologies Center), MountainsMap SPM (разработанный Digital Surf), TopoStitch (разработанный Image Metrology).