Скануюча Зондовая мікроскопія

Зміст

Зміст 1

1.Вступ. 2

2.Основні ЧАСТИНА. 2
2.1 Що таке скануюча Зондовая мікроскопія. 2
2.2 Сучасні методи досліджень СЗМ. 5
2.2.1 Методики СТМ. 5
2.2.1.1 Об'єкти дослідження. 6
2.2.1.2 Режими роботи ВТМ. 7

Режим топографії (I = сопst). 7

Режим реєстрації струму (Z = const). 7

Режим помилки зворотного зв'язку (FВ-еrrоr). 8
2.2.2 Методики ССМ. 8
2.2.2.1 Контактний режим. 9

Сили, які діють між кантілевером і зразком 10
2.2.2.2 Топографія поверхні (режим постійної 11

сили)
2.2.2.3 Режим зняття зображення сил. 15
2.2.2.4 Режим реєстрації помилки зворотного зв'язку. 16
2.2.2.5 Вимірювання бічних сил. 16
2.2.3 Вібраційні і модуляційних методи

вимірювань. 17
2.2.3.1 СТМ-методи. 18

Режим вимірювання локальної висоти бар'єру. 18

Режим спектроскопії. 20
2.2.3.2 АСМ-методи: 20

Безконтактний режим. 20

Полуконтактний режим. 22

Режим вимірювання жорсткості. 23
2.2.4 Схема взаємодії компонентів. 24
2.2.5 Схема реєстрації відхилення кантілевера. 25

3. ВИСНОВОК. 26

4. ЛІТЕРАТУРА. 27

1.Вступ

Скануючий зондовий Мікроскоп (СЗМ) - це прилад, що дає можливість дослідження властивостей поверхонь матеріалів від мікронного до атомарного рівня. У СЗМ існує три способи дослідження поверхонь:

. Скануюча тунельна мікроскопія (ВТМ)

. Скануюча силова мікроскопія (ССМ)

. Блізкопольная скануюча мікроскопія (БСМ).

ВТМ був винайдений співробітниками швейцарського філії фірми IВМ вченими

Г. Бінніг і X. Рорер в 1981 р., а ССМ - Келвіном Гвейтом, Гердом

Бінніг і Крістофером Гербером, в 1986р. Ці технології виявилися революційними у розвитку досліджень властивостей поверхонь і в 1985 винахід ВТМ було відзначено присудженням Нобелівської премії з фізики першовідкривачам - Г. Біннігу і X. Рорер.

2.Основні частина

2.1 Що таке Скануюча Зондовая Мікроскопія

У роботі ВТМ використовується загострена проводить голка з доданим напругою зміщення між нею і зразком; радіус кривизни голки порядку

3 - 5 нм. При підводі голки на відстань близько 10А від зразка, електрони з зразка починають тунелювати через тунельний проміжок в голку

(або навпаки, залежно від знаку прикладеної напруги зсуву).

Тунельний струм використовується як механізм для отримання картини досліджуваної поверхні. Для його виникнення необхідно, щоб зразок та голка були провідниками або напівпровідниками. Для різних режимів сканування записуваний (тобто що формує зображення) сигнал виходить з величини тунельного струму різними методами. На Рис. 1 показана схема тунелювання електрона між зразком і зондом і наближення найпростішої одномірної моделі:

РИС. 1
Величина тунельного струму може бути оцінена за ф-ле:
Z - висота голки щодо зразка;
U - різниця потенціалів енергетичних рівнів;
Fi-висота потенційного бар'єру;
реєструється величиною є або величина струму (Якщо поверхні голки і зразка є гідрофобними, а такими їх можна зробити, покривши
SiCl2, то реєструється дійсно величина тунельного струму між голкою та зразком, у випадку ж гідрофільності поверхонь голки і зразка на них можлива адсорбція, і тоді результуючий струм буде складатися з внесків тунельного і іонного струмів.)

, або величина напруги зворотного зв'язку, що підтримує постійний тунельний струм. З цієї формули видно, що величина It експоненціально залежить від величини тунельного проміжку і саме ця властивість дозволяє досягти настільки високого дозволу тунельною мікроскопії.

На величину It впливають також інші потенційні, бар'єри, які можуть виникнути при дослідженні реальних поверхонь . Наприклад, якщо досліджувана поверхня покрита будь-якої неоднорідною плівкою (це може бути шар оксидів, адсорбати або спеціально нанесена плівка, то схема тунелювання буде виглядати наступним чином

(Мал. 2).

Очевидно, що наявність різних об'єктів між зондомі проводить поверхнею буде істотно впливати на ймовірність тунелювання і, відповідно, на величину тунельного струму. Це в деяких випадках може заважати отримати рельєф провідника а в деяких випадках дозволяє досліджувати властивості плівок, нанесених на провідну підкладку СТМ - зображення визначається як рельєфом досліджуваної поверхні так і її лектроннимі властивостями. Якщо досліджується або забруднена поверхню, або спеціально нанесені об'єкти на провідну підкладку, то СТМ-зображення визначається не тільки рельєфом досліджуваного зразка, але й локальними електронними властивостями поверхні. Наприклад, ділянка провідника, покритий неелектропроводной плівкою, може виглядати на ВТМ зображенні як провал, хоча насправді, це може бути виступ

(Рис.3).

(Мал. 3).

Також при дослідженні атомарному - гладких поверхонь положення пінов на зображенні може не збігатися з положенням атомів.

Таким чином, результати СТМ-ісспедованій неоднорідних поверхонь не можна розглядати як зображення рельєфу поверхонь, слід мати на увазі, що на істинний рельєф як би накладається карта локальних електронних властивостей об'єкта дослідження і ця інформація може виявитися вельми корисною.

У приладі передбачені додаткові можливості аналізу локальних електронних властивостей поверхні. Цей вимір залежностей It (Ut) і

I (Z) і сканування розподілу величин dI/dU і dI/dz по поверхні зразка. Ці характеристики можуть дати додаткову інформацію про електронні властивості поверхні, неоднорідностях цих властивостей, наявності резонансних рівнів тунелювання. Залежність I (Z) застосовується, також , для визначення якості голки

Скануючі зондові Мікроскопи російської компанії НТ-МДТ моделей

Р4-8РМ-16 і Р4-ЗРМ-18 дають можливість використовувати практично всі сучасні методики вимірювань, працюючи в режимах ВТМ, ССМ і БСМ. Вибір методики вимірювання визначається властивостями досліджуваного об'єкта і завданнями користувача (див. пункт 2.2).

2.2.Современние методи досліджень СЗМ

2.2.1.1 Об'єкти дослідження

Скануюча тунельна мікроскопія може бути застосована для дослідження поверхонь провідників і тонких плівок (або невеликих об'єктів), нанесених на поверхню провідника. Наприклад, це можуть бути поверхні благородних металів або графіту (НОРG). Вони ж зазвичай використовуються і як підкладки для нанесення інших об'єктів, досліджуваних методами ВТМ, Що стосується інших провідників, то більшість з них на повітрі не тільки покриваються адсорбатамі, а й окислюються. Ймовірність тунелювання електронів крізь них може бути досить мала (з-за товщини шару, або через його електронних властивостей). На таких матеріалах тунельна мікроскопія не дозволяє отримувати хорошого дозволу. Наприклад, кремній може досліджуватися методами ВТМ з атомарним дозволом тільки у високому вакуумі. Для дослідження поверхонь таких речовин за допомогою ВТМ іноді можуть бути застосовані методи пасивування поверхні.
Що стосується досліджень властивостей плівок на поверхні провідника то завдання застосовності ВТМ доводиться вирішувати в кожному конкретному випадку.
Причому отримані результати можуть залежати не тільки від властивостей матеріалу, а й від властивостей підкладки, і від методу нанесення. Наприклад, ВТМ успішно застосовується для досліджень ЛБ плівок, а також деяких біологічних об'єктів (молекул і навіть вірусів).

2.2.1.2 Режими роботи ВТМ

При роботі ВТМ, як уже говорилося, вимірюється It в процесі сканування зондом над поверхнею досліджуваного зразка. На підставі цього сигналу прилад у різних режимах дозволяє отримувати різні дані.

Режим топографії (I = соnst)
Найбільш часто використовується режим топографії.
У цьому режимі ОС підтримує I = соnst, змінюючи висоту голки Z щодо зразка. Наприклад, коли прилад реєструє збільшення тунельного струму, він змінює напругу, прикладена до п'єзоелектричному сканера, віддаляючи голку від зразка. При цьому виходить зображення якоїсь поверхні і рельєф (для однорідних поверхонь) відповідає істинному рельєфу поверхні. На зображенні висоти будуть зазначені в одиницях довжини. У цьому режимі параметри сканування встановлюються таким чином, щоб
It (контрольований по осцилографа або але картині розподілу сигналу помилки зворотного зв'язку) змінювався як можна менше. Якщо тунельний струм підтримується постійним в межах кількох відсотків, то відстань голка-зразок буде постійним з точністю до кількох сотих часток ангстрема.
Режим регстраціі струму (Z = const)
Наступний режим: Z = const. При цьому режимі сканування здійснюється з виключеною ГР при постійному Z, отримане зображення - це зміна It залежно від положення зонду. Голка рухається над зразком, зберігаючи постійне відстань до його заснування (але не до поверхні), при цьому змінюється тунельний струм. Значення тунельних струмів, виміряні в кожній точці поверхні зразка являють собою набір даних, що відображають топографію поверхні (в припущенні сталості щільності поверхневих станів). У цьому режимі можна швидко сканувати, але існує небезпека дотику голкою поверхні, що може призвести до руйнування вістря зонда
Режим помилки зворотного зв'язку (FB-еrror)
Режим помилки зворотного зв'язку використовується для реєстрації дрібних об'єктів на неплоских поверхні. У цьому випадку параметри ОС встановлюються таким чином, щоб вона встигала відслідковувати тільки великі пологі неоднорідності рельєфу, а зображення формується зміною тунельного струму на більш крутих неоднорідностях поверхні, що "повільна" ОС не встигає відслідковувати. Таким чином, на ВТМ зображенні видно ці відхилення струму. Такий режим можна розглядати як апаратне диференціювання рельєфу поверхні. В останніх двох режимах Z координата зображень виражається в одиницях сили струму. Описані три режими використовуються в залежності від характеру зразка та умов експерименту.

2.2.2 Методики ССМ

2.2.2.1 Контактний режим
Кантілевер безпосередньо стосується голкою поверхні зразка і працює на відштовхування від поверхні (Рис. 4).

Рис.4
В ідеальних умовах сила впливу на зразок визначається прогином і жорсткістю кантілевера. Під час сканування реєструється відхилення зонда за кутом за допомогою оптичної системи з лазера і чотирьох секційного зонда (Рис. II).
Контактний режим роботи ССМ можна розділити в залежності від навколишнього середовища на повітряний і рідинної варіанти. Повітряний зручніше і простіше в роботі, проте в рідинному можна досягти менших сил взаємодії кантілевера зі зразком і, отже, досліджувати більш м'які зразки без руйнування. Крім того, в рідинному варіанті деякі об'єкти можуть спостерігатися тільки в природному для них середовищі - це клітини та інші біологічні об'єкти, розчини органіки і далі буде розглядатися робота з повітряним варіантом ССМ.

Повітряний контактний ССМ добре зарекомендував себе при дослідженні досить жорстких об'єктів, таких як кристали мікросхем, наноструктури, плівки різних неорганічних матеріалів і багато чого іншого. Разом з тим з його допомогою вдається отримувати достатчно гарні результати при дослідженні біологічних об'єктів (клітин, вірусів), ЛБ-плівок органічних матеріалів.

Сили, що діє меліси кантілевером і зразком
Тут будуть коротко розглянуті сили взаємодії між кантілевером і зразком. При наближенні кантілевера до поверхні зразка на нього починає діяти сила Ван-дер-Ваальсових тяжіння

Рис. 5
Вона досить дальнодії помітна з відстані десятків ангстрем. Потім на відстані в кілька ангстрем починає діяти сила відштовхування. У вологому повітрі на поверхні зразка присутній заспівай води. Виникають капілярні сили, додатково притискали кантілевер до зразка та збільшують мінімально досяжну силу взаємодії. На різних зразках і з різними кантілеверамі крива сили може помітно відрізнятися, Досить часто можливо електростатичне взаємодія між зондом і взірцем. Це може бути як оталківаніе, так і тяжіння. У разі відштовхування можлива ситуація, коли підведення кантілевера припиняється до дотику із зразком. У цьому випадку можна збільшити силу притиску при повторному підводі, або залишити прилад на деякий час (години) для статичної електрики
Ван дер Ваальсових тяжіння, капілярні, електростатичні сили, сили відштовхування в області дотику голки з поверхнею зразка і сили, що діють на голку з боку деформованого кантілевера, в рівновазі повинні компенсувати один одного. У місці торкання вістря голки з поверхнею виникають помітні деформації як вістря голки, так і зразка. Уникнути деформацій можна при силах приблизно 10-11 Н, але це можливо лише при роботі в рідині.

2.2.2.2 Топографія поверхні (режим постійної сили)
Вимірювання рельєфу поверхні з підтриманням постійної сили впливу голки кантілевера на поверхню зразка є основою для вимірювання локальної жорсткості поверхні, локальної в'язкості та локальної сили тертя.
Розглянемо докладніше оптичну схему виміру кута відхилення зонда
(Рис, 11). Випромінювання напівпровідникового лазера з довжиною хвилі 650-б70нм фокусується об'єктивом в еліптичне пляма розміром ~ 50 мкм на поверхні, що відбиває кантілевера. Відбитий промінь потрапляє на чотирьохсекційного фотодіод. Вертикальне відхилення реєструється по різницевого сигналу (А + С) - (В + D) (Рис. 6). Бічні сили викликають крутильних деформацію кантілевера відбитий промінь зміщується в перпендикулярному напрямку. Бічне відхилення реєструється по різницевого сигналу (А + В) - (В + D)

(Рис.6)

Функціональна схема роботи АСМ в режимі підтримки постійної сили може бути описана слід?? ющім чином:
різницевий сигнал з реєструючої системи посилюється і подається на інтегратор. При відхиленні від заданого значення він сприймається як сигнал помилки і інтегрується, що забезпечує правильну відпрацювання системою постійного зміщення пьезодвіжітеля. Сигнал з інтегратора подається на високовольтний підсилювач, а з нього на пьезодвіжітель, що компенсує що виникла помилку. Зворотній зв'язок підтримує сигнал неузгодженості поблизу заданого рівня. Напруга з інтегратора подається на підсилювач з регульованим коефіцієнтом посилення, оскільки необхідно забезпечити різну чутливість вимірювальної частини приладу при роботі з атомарним дозволом і на зразках з грубим рельєфом. Потім сигнал подається на аналого-цифровий перетворювач, а звідти через інтерфейсну плату записується в пам'ять комп'ютера і інтерпретується як рельєф зразка. Сила притиску кантілевера до зразка виставляється при початковій юстування фотодіода. Додатковий блок установки зміщення забезпечує можливість зміни сили притиску у підведенні положенні. При цьому зворотний зв'язок забезпечує підтримку різницевого сигналу. Дистанційна регулювання сили збільшує зручність роботи з приладом. (При відхиленні різницевого сигналу від нуля починають проявлятися шуми інтенсивності лазера. Тому потрібно обережно застосовувати електронну регулювання сили на зразках з малим рельєфом, наприклад, при досягненні атомарного дозволу
Точність роботи застосовуваної тут інтегральної зворотного зв'язку залежить від петлевого коефіцієнта посилення. Досягнення максимальних швидкостей сканування вимагає швидкої роботи зворотного зв'язку. Для збільшення швидкості відпрацювання зворотним зв'язком сигналу помилки вигідно ставити максимальний коефіцієнт петлевого посилення. Але при дуже великому коефіцієнті підсилення може бути досягнуто поріг генерації. Робота поблизу порогу генерації характеризується великими переколебаніямі і тому точність падає. З друюі боку при дуже малих коефіцієнтах посилення зворотній зв'язок не встигає відслідковувати різкі зміни рельєфу, що також знижує точність вимірів. Тому існує оптимальний коефіцієнт підсилення для кожної системи зонд-зразок, який забезпечує максимальну точність роботи зворотного зв'язку і достовірність даних.

На петлевий коефіцієнт посилення впливає декілька причин. Залежно від застосовуваного кантілевера при інших рівних параметрах він може змінюватися в кілька разів. Коефіцієнт посилення змінюється обернено пропорційно довжині кантілевера, і отже, ніж кантілевер коротше, тим вищий коефіцієнт передачі. Крім того, коефіцієнт посилення може помітно змінюватися залежно від юстування кантілевера.

Оператор може контролювати петлевий коефіцієнт посилення регулюванням підсилювача із змінним коефіцієнтом посилення в інтеграторі.

При великих значеннях петлевого посилення генерація виникає на частотах першого резонансу пьезосканера. Для сканера з полем 11х11 мкм2-приблизно

10 кГц, з полем 25х25 мкм2 близько 7,5 кГц. Частота генерації залежить від маси зразка. Для усунення генерації достатньо зменшити коефіцієнт посилення регульованого підсилювача. При цьому амплітуда автоколивань буде зменшуватися без зміни частоти.

При наявності великого тертя між зразком і голкою також може виникати інший вид генерації.

Для нього характерно, що при зменшенні коефіцієнта посилення в петлі зворотного зв'язку, частота зменшується без зміни амплітуди, причому може досягати часткою Герца, але тим не менше генерація завжди присутня. Уникнути цього виду генерації можна зменшенням сили тертя за рахунок зменшення сили взаємодії або використанням коротких кантілеверов. При скануванні амплітуда генерації значно падає, тому в багатьох випадках її присутність практично не позначається на якості зображення.

На отриманому в результаті сканування зображенні можуть бути присутніми збої, які мають вигляд окремих ліній в напрямку сканування, що відрізняються по висоті від загального рельєфу. Вони викликані тим, що голка чіпляється за нерівності рельєфу і потім прослизають за зразком або темами. що голка частково руйнує зразок. Уникнути таких збоїв можна підбором напрямки сканування, зменшенням сили притиску, зменшенням швидкості сканування. Вибір напрямку сканування в різних режимах пов'язаний з тим, що кантілевер по-різному ваімодействует з виникаючими змінами рельєфу. При скануванні в позитивному напрямку (+ Y) можна вважати, що кантілевер рухається знизу вгору щодо зображення поверхні на моніторі (насправді сканування здійснюється зразком, який рухається у зворотному напрямку). При цьому він наїжджає на перешкоди пологим схилом голки і при цьому долає їх . При такому варіанті сканування збої - зриви кантілевера виникають рідше. Якщо ж він наїжджає на перешкоди стороною під кутом 75, то він значно частіше чіпляється за нерівності і частіше виникають збої на зображенні. Взагалі, залежно від зразка необхідно підбирати напрямок сканування. У частині випадків виявляється вигідним сканувати на + Х або-X, наприклад, при знятті зображення бічних сил. На зображенні можуть виникати характерні сліди пов'язані з особливостями рельєфу в напрямку швидкого сканування, обумовлені кінцевою швидкістю роботи зворотного зв'язку. Їх величина залежить від швидкості сканування, петлевого коефіцієнта посилення, характеру рельєфу. Якщо під час сканування реєструвати сигнал помилки зворотного зв'язку, то ці відхилення будуть добре видні.

що вийшло зображення містить практично всю втрачену при знятті топографії інформацію. Використовуючи результати сканування в режимі топо-графії і в режимі реєстрації помилки зворотного зв'язку, можна точніше відновлювати топографію поверхні.

2.2.2.3 Режим зняття зображення сил.

Робота АСМ з використанням зворотного зв'язку призводить до збільшення рівня шумів, часткової втрати інформації про топографії поверхні чи обмеження швидкості сканування. У деяких випадках виявляється корисним використання режиму сканування при якому зворотній зв'язок вимикається, положення пьезосканера по Z фіксується, а реєструється сигналом стає безпосередньо сигнал расcогласованія в фотодіоди.

Це режим постійної висоти (Z = соnst). У цьому випадку сила притиснення кантілевера до поверхні змінюється в процесі сканування, Проте, якщо зразок досить жорсткий, що отримується зображення добре відображає топографію поверхні. Використовуючи результати зняття залежності прогину кантілевера від відстані між зондом і взірцем, можна перерахувати зареєстрований струм в лінійні розміри. Однак потрібно пам'ятати, що при великих відхиленнях від нульового положення залежність різницевого сигналу неузгодженості від переміщення зонда стає нелінійної.

Примірний діапазон лінійності залежить від кантілевера: чим коротше кантілевер, тим менше діапазон. Динаміка відстеження поверхні в цьому режимі обмежена частотними властивостями кантілевера, а не зворотного зв'язку. Резонансні частоти кантілеверов значно вище характерної частоти зворотного зв'язку, яка складає одиниці кілогерців. Це дає можливість сканувати з більш високими скороcтямі

1.2.2.4 Режим реєстрації помилки зворотного зв'язку.

Помилка зворотного зв'язку, яка виникає при скануванні в режимі топографії, містить додаткову інформацію щодо топографії. Вона може бути використана для більш точного відновлення рельєфу.

Однак цей режим можна розглядати як проміжний між режимом постійної сили та постійної висоти, якщо відрегулювати швидкість відпрацювання зворотнього зв'язку так, щоб вона відстежувала пологі зміни рельєфу і не встигала відстежувати круті. Тоді під час перетину зондом невеликих неоднорідностей сканування буде відбуватися при майже постійній довжині пьезосканера. У результаті на зображенні будуть слабко проявлятися повільні зміни рельєфу і з високим контрастом - різкі. Це може бути корисно для відшукання дрібних неоднорідностей на великому поле на тлі великих пологих особливостей рельєфу.

1.2.2.5 Вимірювання бічних сил

Під час сканування по + Х або-X виникає додаткова крутильних деформація кантілевера. Вона обумовлена моментом сил, що діють на вістрі голки. Кут кручення при невеликих відхиленнях пропорційний бічній силі. Вимірювальна система мікроскопа дозволяє реєструвати кручення кантілевера. Луч лазера, відбитий від кантілевера, отримує в цьому випадку додаткове зміщення у бічному напрямку (Рис.6). У цьому випадку реєструється сигнал (А + В) - (С + D). Для вимірювання бічних сил АСМ працює в режимі підтримки постійної сили, тобто як при знятті топографії.

Під час руху по плоскій поверхні, на якій присутні ділянки з різним коеффіціан-те тертя, кут кручення буде змінюватися від дільниці до дільниці (Рис.7).

Рис.7

Це дозволяє говорити про вимір локальної сили тертя. Якщоприсутній рельєф, то така інтерпретація неможлива (Рис, 8).

Рис.8
Тим не менш, цей вид вимірювань дозволяє одержувати зображення, наяких добре видно дрібні особливості рельєфу, і полегшувати їх пошук. Урежимі вимірювання бічних сил легко отримувати атомарному дозвіл слюди ідеяких інших шаруватих матеріалах.
Слід зазначити, що при вимірюванні топографії з атомарним роздільною здатністювиходить атомарний рельєф до декількох ангстрем, тоді як реальнийрельєф складає долі ангстрема. Така велика величина рельєфупояснюється впливом крутильних деформації кантілевера через неідеальноїреєструючої системи - кручення кантілевера сприймається як йогопоздовжній вигин. Це виникає наприклад навіть при дуже невеликому вугілліповороту фотодіода щодо напрямку руху променя при поздовжньомувигині кантілевера.

2.2.3 Вібраційні і модуляційних методи вимірювань

На базі різних принципів зондової мікроскопії були розробленічисленні методи отримання інформації про властивості поверхні,використовують вібрацію зонда або зразка або модуляцію параметра.
Використання вібрації або модуляції на достатньо високій частотідозволяє, з одного боку, реєструвати диференціальні характеристики,підтримуючи постійні середні значення величин, а з іншого боку --значно зменшувати величини шумів із частотної залежністю 1/f (де f --частота) за рахунок переносу спектра сигналу з області поблизу 0 Гц в областьвисоких частот.
У числі загальних переваг окремих вібраційних методів можна назвати, по -перше, використання резонансних властивостей системи, що дозволяєістотно підвищити чутливість в порівнянні зі статичноювиміром, а по-друге, зменшення сил взаємодії, зокрема,бічних, між зондом і поверхнею в безконтактному (полуконтактном)режимах. У СТМ-режимі вібрація зразка або голки дозволяє модулюватитунельний зазор і, детектіруя зміни тунельного струму, отримувати сигналdI/dz, що дає інформацію про локальну висоті потенційного бар'єру дляелектронів (локальною роботі виходу). Модуляція тунельного напруги u в
СТМ - режимі дозволяє реєструвати сигнал dI/dz, обумовлений локальноїспектральної щільністю станів.
У АСМ режимі вібрація зразка та реєстрація амплітуди відгуку кантілеверадає інформацію про локальної жорсткості зразка. Детектування амплітудита/або фази вагань кантілевера, збуджуваного ньезоелементом, дозволяєсканувати в безконтактному і полуконтактном режимі рельєф поверхні навітьтаких зразків, які не можна досліджувати в контактному режимі з огляду на те,що вони легко деформуються або руйнуються голкою кантілевера. Ці режимидозволяють також використовувати кантілевери з тонкими і дуже гострими голками,які в контактному режимі самі легко руйнуються.

1.2.3.1 СТМ-методи

Режим вимірювання локальної висоти бар'єру
У режимі вимірювання локальної висоти потенційного бар'єру длятуннелірующіх елекронов, яку можна з деякою натяжкою називатилокальної роботою виходу, сигнал модуляції прикладається до 2-обкладкапьезотрубкі. Зворотній зв'язок в процесі сканування підтримуєнизькочастотну складову тунельного струму постійною. При цьомуреєструється амплітуда високочастотних коливань тунельного струму,модуляцією тунельного проміжку з-за викликаних вібрацій пьезотрубкі.
У наближенні найпростішої одномірної моделі тунелювання електрона черезпрямокутний потенційний бар'єр висотою Fi, залежність тунельного струму
I від ширини бар'єру z виражається експоненціальним множником

диференціюванням цього множника отримуємо;

і, отжетобто похідна тунельного струму по ширині тунельного зазору,нормована на сам тунельний струм, що дає інформацію про локальну висотіпотенційного бар'єру. Так як середнє значення тунельного струму впроцесі сканування підтримується постійним, і амплітуда вібраціїпьезотрубкі не міняється, то отримана в результаті сканування картинарозподілу амплітуди коливань тунельного струму як раз і міститьінформацію про розподіл величини Fi, і, отже, про хімічнівластивості поверхні. Реальна ситуація не така проста, і амплітудаколивань тунельного струму залежить ще від геометрії поверхні, від складуадсорбатов які спотворюють форму потенційного бар'єру і крім того, привимірах на повітрі через наявність адсорбатов між голкою і поверхнеюзавжди існує помітна сила відштовхування, тому що голка повинна "продавити"шар адсорбата, перш ніж виникає помітний тунельний струм.
Це призводить до залежності результатів вимірювань від локальної жорсткостізразка Так, у місцях, де жорсткість зразка нижче, вібрація приводить вбільшою мірою до деформації самого зразка, а не до деформації адсорбата ізміни тунельного зазору. Амплітуда модуляції тунельного струмузменшується, створюючи враження стосовно зниженої роботивихода.Етот ефект слід враховувати при інтерпретації результатів.

Режим спектроскопії
У режимі спектроскопії модулюється тунельне напругу і між зразкомі голкою, і реєструється амплітуда відгуку тунельного струму на цюмодуляцію. При цьому постійна складова тунельного напруги залишаєтьсянезмінною, і зворотній зв'язок підтримує постійне середнє значеннятунельного струму. Таким чином, результат вимірювання являє собоюпохідну dI/dU в заданій точці вольт-амперною характеристики. Оскількиформа вольт-амперною характеристики опрелеляется в першу чергуенергетичним спектром об'ємних і поверхневих електронних станів голкиі зразка, цей режим і отримав назву режиму спектроскопії.
У режимі спектроскопії, як і в режимі вимірювання локальної висоти бар'єру,важливо, щоб зворотній зв'язок встигала з високою точністю підтримуватипостійним середнє значення I (якщо підсилювач працює не в логарифмічнійрежимі), оскільки на багатьох образцж зміна середнього значення I черезнерівностей рельєфу може призвести до набагато великим відхиленням амплітудиколивань тунельного струму, ніж зміна властивостей поверхні.

2.2.3.2 АСМ-методи

До числа вібраційних методів АСМ відносяться безконтактний, полуконтактнийрежим і режим локальної жорсткості.

безконтактного режиму
Безконтактний режим забезпечує вимірювання Ван дер Ваальсових електронних,магнітних сил поблизу поверхні, причому сила взаємодії може бутидуже малою (близько 10-12Н), що дозволяє досліджувати дужечутливі або слабко пов'язані з поверхнею об'єкти, не руйнуючи, іне зрушуючи їх.
Вкладиш - утримувач кантілевера (Рис.9) містить п'єзокерамічнихплатівку, вібрації якої передаються кантілеверу і порушують йогоколивання на необхідній частоті, яка у всіх різновидах цього методувибирається в межах одного з резонансних піків на амплітудно-частотноїхарактеристикою (АЧХ).

Рис. 9
Збуджуючий сигнал формується цифровим синтезатором, що міститьвысокостабильный кварцовий генератор, що дозволяє підтримувати частотусигналу з відносною точністю не гірше 10-5-10-6. Зміннаскладова сигналу з чотирьохсекційного фотодіода, обумовленаколиваннями кантілевера, посилюється і потрапляє на вхід синхронногодетектора, який можна формувати:
- сигнал, пропорційний ам?? літуде основної частоти або однією з гармонік.
- сигнал зсуву фази (коливань кантілевера щодо збудливого сигналу.
- або сигнал твори амплітуди на ЗТ або соб зсуву фази. Будь-який з перелічених сигналів може бути включений у петлю зворотного зв'язку.
Поблизу поверхні зразка вібруючий з малою амплітудою кантілеверпотрапляє в неоднорідне силове поле. Наявність градієнта сили призводить дочастотному зрушення резонансного піка. Тому в разі порушення сигналомфіксованої частоти амплітуда і фаза коливань кантілевера в неоднорідномуполе змінюється.
Якщо зворотній зв'язок в процесі сканування міняє положення зонда понормалі до зразка підтримуючи амплітуду, або фазу коливань кантілеверапостійної (режим топографії), то результатом запису сигналу на виході ОС впроцесі сканування є поверхня постійного градієнта сили.
Можна реєструвати зміни амплітуди або фази коливань у процесісканування, не змінюючи відстань між зондом і підставою зразка (режимпостійної висоти). Можливий також режим, що передбачає попереднєсканування, топографії в контактному або полуконтактном режимі, після чогопроводиться повторне сканування по тій же ділянці з підтриманнямзаданого видалення зонда від поверхні в кожній точці сканування зреєстрацією амплітуди або фази. Цей режим дозволяє відокремити інформаціюпро магнітних і електричних властивостях поверхні від топографічних даних
, Тому що Вандер Ваальсових тяжіння кантілевера і поверхні залишаєтьсяпрактично незмінним при повторному скануванні, оскільки відстаньміж зондом і поверхнею не змінюється, і, значить зміна амплітуди тафази коливань викликаються іншими дальнодействующіх силами --електричними або магнітними.
Мінімально можлива відстань між голкою кантілевера і поверхнеюзразка в безконтактному режимі визначається, з одного боку, властивостямиголки кантілевера і поверхні, а з іншого боку - жорсткістю балкикантілевера. Якщо в міру наближення зонда до поверхні по досягненнідеякої відстані між ними виявиться, що градієнт сили тяжінняголки до зразка перевищив жорсткість балки кантілевера, то кантілевер
"прилипне" до поверхні. Тому мінімальна робоча дистанція повиннаперевищувати цей критичний відстань. Найбільш значною причиноютяжіння є, як правило, капілярні ефекти, які, до того ж,володіють великим власним гістерезисом Але і під час відсутності капілярнихявищ, наприклад, у випадку несмачіваемих поверхонь, ефект "залипання"може спостерігатися через електростатичних, магнітних і навіть Ван-дер-
Ваальсових сил тяжіння. Тому чим ви ті жорсткість кантілевера тимменше може бути робоча відстань, і тим більшої роздільної здатності можнадосягти (при видаленні, порівнянних, або переви-шує радіус кривизникантілевера), хоча при цьому зростає і сила взаємодії. Можливатакож ситуація, коли градієнт сил тяжіння не перевершує жорстко