4. Электросиловая микроскопия. Измерение поверхностного потенциала методом Кельвина. Электростатическая силовая микроскопия.

Электросиловые методы АСМ основаны на электродинамическом взаимодействии гармонически колеблющегося проводящего зонда с поверхностью образца.

Рассмотрим систему, состоящую из зондового датчика, у которого зонд имеет проводящее покрытие, и образца, представляющего собой тонкий слой материала на хорошо проводящей подложке (рис.). Пусть между зондом и образцом подано постоянное напряжение U0 и переменное напряжение U~ = U1sin ωt. Если тонкий слой на подложке представляет собой полупроводник или диэлектрик, то он может содержать поверхностный заряд, так что на поверхности образца существует распределение потенциала φ(x, y). Напряжение между зондом и поверхностью образца можно представить в виде

Рис. Схема измерения в Кельвин-моде и бесконтактной емкостной моде.

Колебания кантилевера в данном случае инициируются осцилляциями

электрического поля в зазоре кантилевер – образец. Если электрическая емкость системы кантилевер − образец равна С, то электрическая энергия, запасенная в конденсаторе:

Тогда электрическая сила взаимодействия зонда и образца F=−gradE. При этом Z-компонента силы, инициированная ∂С/∂Z, – электродинамическая сила, с которой будет притягиваться кантилевер к поверхности:

Учитывая, что полное напряжение между образцом и кантилевером U=(U0− φ(x, y) )+U1 sinωt, где φ(x, y) – значение поверхностного потенциала в точке измерения, для электродинамической силы, действующей между образцом и кантилевером, можно записать:

Таким образом, на кантилевер будет действовать электродинамическая сила:

-на нулевой гармонике

-на первой гармонике возбуждающего сигнала

-на второй гармонике возбуждающего сигнала:

Кельвин-мода

Регистрация силы на первой гармонике возбуждающего сигнала дает возможность получить карту распределения поверхностного потенциала φ(x, y).

Для этого в процессе сканирования при подаче переменного напряжения на кантилевер на резонансной частоте балки требуется поддерживать измеряемый переменный сигнал, обусловленный возбуждением кантилевера под действием силы (*- ниже), равным нулю изменением постоянного напряжения U ₀.

(*)

В соответствии с (*) F_Z(ω) ≡ 0 в случае, если U₀ = φ(x, y) при любых значениях возбуждающего потенциала U₁ и любых значениях производной поверхностной емкости. При работе в Кельвин-моде U₁ выбирается максимальным, а частота переменного электрического поля выбирается равной резонансной частоте кантилевера.

Кельвин-мода − исключительно важная мода СЗМ, позволяющая делать количественные заключения о свойствах поверхности объекта. Для СЗМ это в некотором смысле абсолютный метод, не требующий дополнительной коррекции на некие другие взаимодействия. Это метод, позволяющий нейтрализовать влияние электродинамических сил как на полуконтактную, так и на бесконтактную топографию. Возможность измерения распределения потенциала позволяет реализовать многопроходные методики измерений, в которых постоянная сила может быть компенсирована в процессе третьего прохода, что позволяет производить корректные измерения топографии химически неоднородных поверхностей как в полуконтактной, так и магнитной модах.

Электростатическая силовая микроскопия – эффективный метод исследования распределения электрического поля и зарядов по поверхности образца с субмикронным разрешением. Данная методика также является многопроходной. На первом проходе получают профиль рельефа поверхности. Далее зонд отводится на расстояние dZ и с помощью пьезодрайвера приводится в колебательное состояние на резонансной частоте. Между зондом и образцом подается постоянное напряжение смещения U₀, и осуществляется повторное сканирование. Аналитическим сигналом является фаза колебаний зонда Ψ (рис.) на втором проходе. По изменению фазы колебаний зонда определяют пространственное распределение z-составляющей градиента электростатического поля по поверхности образца

Рис. 2.29. Схема измерений на двух проходах в электростатической силовой микроскопии