Антоненко Исследование пленок и наноструктур с помосчю 2011

УДК 539.2 (076.5) ББК 34.43я7 А 72

Антоненко С.В. Исследование пленок и наноструктур с по-

мощью сканирующего зондового микроскопа. Лабораторный практикум: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2011. – 96 с.

Лабораторный практикум посвящен изучению свойств пленок, наноструктур, наноматериалов с помощью сканирующей зондовой микроскопии, при этом существенное внимание уделено технологических процессам получения образцов для таких исследований. Лабораторный практикум выполняется в режиме как локального, так и удаленного доступа интерактивного учебно-научного комплекса для выполнения работ по исследованию наноструктурированных материалов, объектов и систем методами сканирующей зондовой микроскопии.

Практикум предназначен для студентов, обучающихся по специальности «Физика конденсированного вещества» и специализирующихся по кафедре «Компьютерного моделирования и физики наноструктур и сверхпроводников», а также может быть рекомендовано для студентов, аспирантов, слушателей групп повышения квалификации и переподготовки специалистов в области получения и исследования пленок, наноструктур и наноматериалов.

Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.

Рецензенты: канд. физ.-мат. наук, доц. А.А. Лаврухин (НИЯУ МИФИ); зав. кафедрой материаловедения ИАТЭ НИЯУ МИФИ В.А. Степанов.

ISBN 978-5-7262-1428-3

© Национальный исследовательский ядерный университет

«МИФИ», 2011

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Лабораторный практикум «Исследование пленок и наноструктур с помощью сканирующего зондового микроскопа» касается вопросов общих закономерностей приготовления образцов и исследования их свойств с помощью сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). В практикуме дается краткая характеристика получения графитовых пленок с помощью магнетрона и графитовых композитов с помощью токового отжига. Покрытия и изделия из них широко используются в различных областях науки, техники, производства и в повседневной жизни. Особое внимание уделяется описанию физических аспектов технологии выращивания пленок, их обработке и присущим им свойствам. Более подробно эти вопросы освещены в курсах «Технология тонких пленок» и «Технология наноструктур».

Основу лабораторного практикума составляют методики сканирующей зондовой микроскопии. Рассматриваются контактные, полуконтактные, многопроходные методы атомно-силовой микроскопии (АСМ) и контактная литография. Особенный интерес представляет собой возможность проведения измерений в вакууме, в магнитном поле и осуществления исследований с помощью наносклерометрического модуля. Отдельная лабораторная работа посвящена статистической обработки результатов измерений АСМ.

В данной области знаний смена информации происходит очень быстро, и поэтому есть настоятельная необходимость в использовании функционирующего в режиме как локального, так и удаленного доступа интерактивного учебно-научного комплекса для выполнения работ по исследованию наноструктурированных материалов, объектов и систем методами сканирующей зондовой микроскопии, наносклерометрии и возможностью исследований в вакууме и магнитных полях для удаленного обучения и проведения экспериментов студентами, бакалаврами, магистрами, исследователями и разработчиками в области нанотехнологий.

Автор признателен Фроловой В. А. за подготовку 6 и 8 лабораторных работ и Новиковой Т. Б. за получение СЗМ изображений.

4

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

При подготовке к выполнению лабораторной работы нужно:

внимательно изучить текст лабораторной работы, а также

руководство пользователя по проведению измерений с помощью сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ);

по пунктам рассмотреть порядок выполнения работы и изучить задания;

подготовить ответы на контрольные вопросы;

создать папку на компьютере, в которой будут размещены краткое описание выполнения работы, результаты и выводы.

удалѐнный доступ к компьютеру выполняется с помощью программы TeamViewer. Она имеет лицензию Freeware и позволяет использование для личных или некоммерческих целей. Для уста-

новки программы следует скачать еѐ с сайта http://www.teamviewer.com на компьютер, к которому осуществля-

ется удалѐнный доступ. Программа может быть установлена на компьютер и запущена без установки.

При выполнении лабораторной работы нужно:

выполнять работу последовательно в соответствии с ее описанием руководством пользователя по проведению измерений с помощью СЗМ;

четко придерживаться распоряжений преподавателя и вспомогательного персонала при проведении работы;

выполнить исследования по лабораторной работе.

При завершении лабораторной работы и ее сдаче нужно:

сохранить папку с результатами выполнения лабораторной работы на съемном носителе (флэшке) и/или распечатать отчет о лабораторной работе;

в отчете представить последовательное выполнение заданий лабораторной работы (изображения, графики, расчеты и погрешности измерений).

5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

КОНТАКТНАЯ АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ

Цель: ознакомление с методами формирования углеродных пленок, изучения их параметров с помощью сканирующего зондового микроскопа и приобретение практических навыков работы на СЗМ в режиме контактной атомно-силовой микроскопии.

Введение

В настоящее время интенсивно исследуются различные модификации углерода, в том числе и графитовые пленки, содержащие нанотрубки, фуллерены и другие углеродные наноструктуры. При исследовании образцов в режиме контактной атомно-силовой микроскопии (АСМ) можно получить сведения как о геометрической поверхности образца, так и некоторых ее свойствах. Основные методы контактной АСМ: метод постоянной силы, метод постоянной высоты, контактный метод рассогласования и работа АСМ в режимах латерально-силовой микроскопии, силовой микроскопии пьезоотклика, а также проведение измерений с помощью отображения сопротивления растекания.

1.1. Способы получения углеродных пленок

Рассмотрим основные методы формирования тонких пленок.

I. Преимущественно физические способы – напыление пленок в вакууме или в газовых средах, проходящее практически без протекания химических реакций. В основе этих методов лежат два основных физических процесса: испарение атомов или молекул с поверхности конденсированного материала или выбивание атомов из мишени, изготовленной из необходимого вещества, под действием потоков высокоэнергетических частиц.

II. Химические способы – приготовление пленок при протекании химических реакций как во время ее осаждения, так и при последующей химико-технологической обработке. Такие химические

6

реакции могут быть как гетерогенными, так и гомогенными, как гомофазными, так и гетерофазными. Как правило, они проводятся в химических реакторах или других установках. Химические реакции могут протекать при дополнительном воздействии тепла, света, плазмы и т.д.

III.Механические способы – формирование образцов, связанное

смеханическим нанесением пленки на подложку. Это может быть механохимический синтез пленки, создание монофазных, гетерофазных, коллоидных покрытий и т.д. на поверхности подложки.

IV. Керамические способы – приготовление пленок по керамической технологии. По данному методу производится смешивание и спекание оксидных порошков с формированием покрытия.

В настоящее время существует много способов получения тонких пленок из углерода. Остановимся подробнее на технологии, с помощью которой получены образцы, использованные при проведении исследований с помощью СЗМ.

Графитовые пленки осаждались с помощью магнетрона на подложки из стекла, тефлона, пористого кремния и т. д. У них было слоистое строение и структура графита (по данным рентгеновского

дифракционного анализа). А после напыления углерода на подложки из W наблюдалось присутствие другой аллотропной модификации углерода – карбина.

Подробнее остановимся на методе магнетронного напыления. В его основе лежит распыление мишени в плазме в скрещенных электрических и магнитных полях в атмосфере рабочего газа, перенос выбитых атомов и осаждение их на подложках.

Общая схема реализации данного метода следующая. Магнетронная напылительная установка состоит из магнетронного распылительного узла с мишенью, нагревателя с подложками, вакуумной камеры, насосов и блоков питания. Внутри вакуумной камеры располагается мишень из материала, атомы которого должны

образовывать пленку. В камеру напускается рабочий газ (обычно аргон Ar) до давления ~ 1 Па. После подачи на мишень отрицательного напряжения V = 100 – 200 В над ней зажигается газовый

разряд. На поверхности мишени B = 0,04 – 0,06 Тл. Магнитное поле создается постоянными магнитами из SmCo5, AlNiCo и т.п., кото-

рые соединены магнитомягким материалом. Для того, чтобы пре-

7

дотвратить разогрев мишени, ее обычно охлаждают водой и припаивают к держателю мишени легкоплавкими сплавами. Контроль температуры подложек осуществляется с помощью термопары или пирометра. После завершения напыления пленок образцы плавно охлаждают и извлекают из установки для дальнейших исследований.

Преимущества магнетронного метода напыления заключаются в высокой скорости осаждения пленок, малой их дефектности и оптимальной плотности, близкой к плотности материала мишени. Достигается это за счет термализации распыленных атомов в среде рабочего газа на пути их до подложки. Высокие скорости распыления повышают производительность процесса осаждения и адгезию наносимых пленок. Использование подвижного магнетрона позволяет производить напыление пленок на цилиндрические поверхности или ленточные образцы. Подвижный магнетрон позволяет получить однородные покрытия с высокой воспроизводимостью структурных и электрофизических характеристик. Сочетание подвижного магнетрона с планетарным движением подложек позволяет покрывать пленками большую часть поверхностей произвольной формы.

1.2. Изучение образцов в режиме контактной АСМ

При исследовании образцов в режиме контактной атомносиловой микроскопии можно получить сведения, как о геометрической поверхности образца, так и некоторых ее свойствах. При работе АСМ в таком режиме острие кантилевера находится на поверхности образца – в контакте. В этом случае при проведении изучения поверхности образца нужно учитывать не только непосредственное взаимодействие зонда с поверхностью образца, но и влияние адсорбированных слоев воды и воздуха. В условиях вакуума действие адатомов на зонд значительно слабее (см. лабораторную работу 5).

Один из самых распространенных методов получения информации о состоянии поверхности образца в режиме контактной АСМ – метод постоянной силы. При сканировании по данному методу

возникают силы, вызывающие изгиб зонда в нормальном направ-

8

лении относительно его продольной оси. Однако с помощью обратной связи удается поддерживать величину изгиба кантилевера постоянной. Вследствие этого нормальные смещения сканера отражают рельеф поверхности изучаемого образца.

С помощью этого метода получается непосредственное изображение геометрической поверхности образца (сигнал Height), конечно с учетом погрешностей измерений. Как правило, при проведении исследований с помощью других контактных методик на экране монитора для лучшей наглядности присутствуют как изображение рельефа поверхности образца (сигнал Height), так и изображение того же участка поверхности образца, полученное с помощью другой контактной методики (например, метода латеральных сил). Это позволяет не только привязать к данной точке поверхности образца те или иные особенности параметров, полученных с помощью контактных методов, но и учесть влияние рельефа

на эти параметры.

Латерально-силовая микроскопия (лат. lateralis – боковой) – методика АСМ, позволяющая учесть боковой изгиб кантилевера, который возникает под действием момента сил, действующего на кончик зонда. Такие силы обусловливаются, в основном, силами трения. Как известно, сила трения возникает в плоскости соприкосновения зонда и образца и направлена противоположно относительно перемещению движущегося объекта. Сила трения обусловливается адгезией, электрическим взаимодействием и т.д. При движении по плоской поверхности, на которой имеются участки с разным коэффициентом трения, боковой изгиб кантилевера будет меняться при сканировании. Это позволяет говорить об изменении локальной силы трения. Однако если присутствует развитый рельеф, то такая интерпретация невозможна.

Угол бокового изгиба кантилевера пропорционален латеральной силе и определяется оптической системой регистрации, в которой формируется соответствующий сигнал LF (LF – разностной сигнал между левой и правой половинами фотодиода). Данный сигнал используется для получения изображения распределения локальной силы трения по поверхности образца.

При построчном сканировании поверхности образца в области

отображения 2D-данных сканирования появляются два изображе-

9

ния, на рис. 1.1, а – представлен рельеф поверхности – сигнал

Height, на рис. 1.1, б – распределение латеральных сил – сигнал

LF.

Метод постоянной высоты – методика контактной АСМ, позволяющая при разомкнутой цепи обратной связи определять рельеф поверхности образца в режиме сканирования зондом, находящемся на постоянной высоте над образцом.

а б

Рис. 1.1. Изображения одной и той же области графитовой пленки, осажденной на кремниевый чип, полученные: а – методом постоянной силы; б – методом латерально-силовой микроскопии

Кроме того, если известны константа жесткости используемого кантилевера и его геометрические размеры, изображение распределения сигнала нормального изгиба кантилевера (сигнала DFL) можно преобразовать в изображение распределения локальной силы, действующей на кантилевер. Однако следует помнить, что при больших изгибах кантилевера зависимость сигнала DFL становится нелинейной. Примерный диапазон линейности зависит от кантилевера: чем короче кантилевер, тем меньше диапазон. К недостаткам метода относится требование достаточной гладкости поверхности образцов. Кроме того, при исследовании мягких образцов

10