Основными конструктивными составляющими атомно-силового микроскопа являются:
· Жёсткий корпус, удерживающий систему
· Держатель образца, на котором образец закрепляется
Зондирование поверхности в АСМ производится с помощью специальных зондовых датчиков, представляющих собой упругую микробалку, называемую консолью или кантилевером (от англ.cantilever – консоль), один конец которой жёстко закреплен на кремниевом основании (держателе), а на другом конце располагается собственно зонд (рис.3).
Датчики изготовляются методами фотолитографии и травления из кремниевых пластин. Упругие консоли изготавливаются, в основном, из тонких слоев легированного кремния, SiO2 или Si3N4 (нитрид кремния).
В АСМ применяются, в основном, датчики двух типов - с кантилевером в виде балки прямоугольного сечения (I-образной формы) и с треугольным кантилевером, образованным двумя балками (V-образной формы) (рис.4а и рис.4б).
Рис.4. Зондовые датчики.
Иногда зондовые датчики АСМ имеют несколько кантилеверов различной длины на одном основании. В этом случае выбор рабочей консоли осуществляется юстировкой системы регистрации отклонения зонда.
|
|
Кантилевер имеет следующие размеры: толщина около 50 мкм, ширина порядка 200 мкм и длинна 1…3 мм (пример реальной структуры).
Кантилеверы разделяются по длине балки на жесткие и мягкие, что характеризуется резонансной частотой колебаний кантилевера. Чем он длиннее и тоньше, тем он легче гнется. Перемещаясь в плоскости образца над поверхностью, кантилевер изгибается, отслеживая ее рельеф. Если бы он не мог хорошо гнуться, то при подводе его к исследуемой поверхности с помощью пьезодвигателя, зонд просто бы повредил поверхность, воткнувшись в нее. Поэтому его подбирают настолько мягким, чтобы при подводе к поверхности происходил его изгиб, а поверхность оставалась невредимой.
Зонд выполнен в виде острой алмазной (монокристалл Al2O3) иглы. Радиус закругления современных АСМ зондов составляет 1÷50 нм в зависимости от типа зондов и технологии их изготовления. Угол при вершине зонда - 10÷200.
· Устройства манипуляции (пьезоэлектрические двигатели - сканеры) предназначены для прецизионного перемещения зонда над поверхностью исследуемого образца с шагом в 0,01 нм или 0,1 А и для контроля расстояния зонд-образец.
В зависимости от конструкции микроскопа возможно сканирование поверхности двумя способами: движение зонда осуществляется относительно неподвижного образца или движение образца, относительно закреплённого зонда, посредством пьезодвигателя.
Работа большинства пьезоэлектрических двигателей основана на использовании обратного пьезоэлектрического эффекта, который заключается в изменении размеров пьезоматериала под действием электрического поля. В качестве прецизионных манипуляторов (или сканеров) используются элементы из пьезокерамики. Они способны осуществлять перемещения на расстояния порядка ангстрем, однако им присущи такие недостатки, как термодрейф, нелинейность, гистерезис, ползучесть (крип).
|
|
Наиболее распространенными типами сканеров являются треногий и трубчатый (рис.2).
В треногом сканере перемещения по трем координатам обеспечивают расположенные в ортогональную структуру три независимые пьезокерамики. Обычно электроды в виде тонких слоев металла наносятся на внешнюю и внутреннюю поверхность пьезоэлемента, а его торцы остаются непокрытыми. Под действием разности потенциалов между внутренним и внешним электродами пьезоэлемент изменяет свои продольные размеры.
Недостатками такого сканера являются сложность изготовления и сильная асимметрия конструкции. Поэтому наиболее широко используются сканеры на основе одного трубчатого элемента.
Внутренний электрод обычно сплошной. Внешний электрод сканера разделен по образующим цилиндра на 4 секции. При подаче противофазных напряжений на противоположные секции внешнего электрода (относительно внутреннего) происходит сокращение участка трубки в том месте, где направление поля совпадает с направлением поляризации, и удлинение там, где они направлены в противоположные стороны. Это приводит к изгибу трубки в соответствующем направлении. Таким образом осуществляется сканирование в плоскости X,Y. Изменение потенциала внутреннего электрода относительно всех внешних секций приводит к удлинению или сокращению трубки по оси Z.
· Система регистрации отклонения зонда (электронный сенсор) используется для регистрации величины силового взаимодействия между зондом и образцом.
Существует несколько возможных систем:
- Оптическая (включает лазер и фотодиод, наиболее распространённая)
- Интерферометрическая (состоит из лазера и оптоволокна)
- Ёмкостная (измеряется изменение ёмкости между кантилевером и расположенной выше неподвижной пластиной)
- Туннельная (исторически первая, регистрирует изменение туннельного тока между проводящим кантилевером и расположенной выше туннельной иглой)
Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В атомно-силовой микроскопии для этой цели широко используются оптические методы (рис.5).
Для детектирования отклонения используется полупроводниковый лазер с длинной волны 670 нм и оптической мощностью 0,9 мВт. Происходит это следующим образом. Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы лазерный луч направлялся на обратную к по отношению к поверхности сторону кантилевера (тыльная сторона) (на самый кончик), которая покрыта специальным алюминиевым зеркальным слоем для наилучшего отражения, а отраженный луч попадал в центр специального четырёхсекционного фотодиода (фотоприемника). Таким образом, отклонения (изгиб) кантилевера приводят к смещению луча лазера относительно центра фотодиода. По относительному изменению освещенности верхней и нижней половинок фотодетектора судят о рельефе исследуемого образца
· Система обратной связи (ОС) предназначена для сохранения одного из режимов получения изображения во время процесса сканирования, а также для управления положением зонда по оси z.
Изображение рельефа в атомно-силовом микроскопе обычно получают в одном из двух режимов:
ü режим постоянной высоты (при постоянном среднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью образца)
|
|
ü режим постоянной силы взаимодействия
При сканировании образца в режиме Fz = const система ОС поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера, а следовательно, и силу взаимодействия зонда с образцом (рис.6). При этом управляющее напряжение в петле обратной связи, подаваемое на Z-электрод сканера, будет пропорционально рельефу поверхности образца.
Для схемы (рис.1) этот режим реализуется следующим образом. При приближении зонда к поверхности образца сигнал сенсора возрастает. Реальное мгновенное значение напряжения V(t), пропорциональное разностному току фотодиода, сравнивается в компараторе с опорным напряжением Vs, задаваемым оператором. Компаратор вырабатывает корректирующий сигнал Vfb = V(t) - Vs, используемый в качестве управляющего для Z-электрода сканера. Сканер отрабатывает данный сигнал до тех пор, пока разность (V(t) - Vs) не станет равной нулю, при этом удаляя зонд от поверхности образца. Сигнал с выхода компаратора записывается с помощью АЦП как информация о рельефе поверхности в память компьютера, а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.
При исследовании образцов с малыми (порядка единиц ангстрем) перепадами высот рельефа часто применяется режим сканирования при постоянном среднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью (Z = const). В этом случае зондовый датчик движется на некоторой средней высоте Zср над образцом (рис.7), при этом в каждой точке регистрируется изгиб консоли ΔZ, пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности. АСМ изображение в этом случае характеризует пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.
Образец (поверхность) и кантилевер сближаются с помощью шагового двигателя до тех пор, пока поверхность и кантилевер не начнут взаимодействовать, что приведёт к такому смещению лазерного луча на секциях фотодиода, а значит к такому разностному току, что обратная связь прекратит сближение.
· Управляющий блок с электроникой (компьютер), управляющий процессом сканирования и получением изображения.
|
|
Процесс сканирования в АСМ осуществляется следующим образом. Зонд движется вдоль линии (строки) сначала в прямом, а потом в обратном направлении (строчная развертка), затем переходит на следующую строку (кадровая развертка). Движение зонда осуществляется с помощью сканера небольшими шагами под действием пилообразных напряжений, подаваемых с генератора развертки (обычно, с цифро-аналогового преобразователя). Регистрация информации о рельефе поверхности производится, как правило, при прямом проходе.
Информация, полученная с помощью АСМ, хранится в виде кадра – двумерного массива целых чисел Zij (матрицы). Каждому значению пары индексов ij соответствует определенная точка поверхности в пределах поля сканирования. Как правило, матрицы имеют размер 200х200 или 300х300 элементов. Визуализация полученных кадров производится средствами компьютерной графики в виде двумерных яркостных (2D) и трехмерных (3D) изображений.