Антоненко Исследование пленок и наноструктур с помосчю 2011

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

МНОГОПРОХОДНЫЕ МЕТОДЫ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

Цель: ознакомление с методами формирования пленок, а также с методами изучения их параметров с помощью сканирующего зондового микроскопа и приобретение практических навыков работы на СЗМ с помощью многопроходных методов АСМ.

Введение

В настоящее время в науке и технике большое внимание уделяется производству композитов на основе углеродных наноматериалов. Эти композиты исследуются разными способами, в частности с помощью атомно-силовой микроскопии в многопроходных режимах. Многопроходные методы АСМ: магнитная силовая микроскопия (МСМ), электростатическая силовая микроскопия (ЭСМ), метод зонда Кельвина и сканирующая емкостная микроскопия. С помощью многопроходных методов АСМ можно получить сведения о распределении физических характеристик образца по его поверхности.

3.1. Способы получения графитовых композитов

Графит – один из аллотропных модификаций углерода. Графит – серо-черный, мягкий, жирный на ощупь, слоистый материал. Каждый слой графита состоит из атомов углерода, соединенных в гексагональную решетку. Параметры решетки a = 245,6 пм, c = 669,6 пм – расстояние между слоями графита. Графит хорошо проводит электричество. Графитовая бумага или терморасширенный графит вырабатывается промышленным способом и представляет собой спрессованные графитовые слои. При этом полученный материал достаточно пористый. Графитовую бумагу изготавливают

31

в виде лент или пластин толщиной 0,2 – 2 мм. Из пластин этой бумаги вырезают образцы необходимого размера 2,5 • 3 см3.

Для получения нанотрубок необходимо графитовую бумагу наполнить катализаторами (Ni-Co и Fe). Нанесение катализаторов на графитовую бумагу проводится следующим образом. Сначала готовится однородный раствор тетраэтилортосиликата, этанола, водного раствора нитрата никеля и водного раствора нитрата кобальта. Если в качестве катализатора выступает Fe, то берется водный раствор нитрата железа. Затем к раствору добавляется раствор HF – это катализирует образование силикагеля. Графитовую бумагу (размером ~ 2,5 • 3 см2) опускают в приготовленный гель, так как это пористый материал, то она легко пропитывается катализаторами. Затем образец вытирают и сушат при комнатной температуре.

Далее образец графитовой бумаги помещается в вакуумную установку и соединяется с двумя электродами. Через образец пропускается электрический ток. Графитовая бумага первоначально нагревается до 400 oС в аргоне, чтобы расщепить нитраты и получить окисленные металлы. Процесс восстановления металлов и получения из них наночастиц происходит в вакууме при температуре 500 oС. Затем повышают ток через образец, чтобы температура достигала 700 oС. Образец выдерживают при этой температуре в течение 2 – 3 мин. При такой температуре образуются многостенные углеродные нанотрубки. После этого образец плавно охлаждают и вынимают из вакуумной установки. Таким образом, на основе графитовой бумаги формируются графитовые композиты с наноструктурами: нанотрубками, фуллеренами, онионами, эндоэдрами и т.п.

3.2. Изучение образцов с помощью многопроходных методов АСМ

Многопроходные методы обычно используются в задачах, где помимо рельефа поверхности образца необходимо определять также и иные характеристики, при этом необходимо исключить влияние на них рельефа поверхности. При сканировании строки производится следующая процедура. На первом проходе сканируемой

строки получаем рельеф поверхности с применением контактного

32

или полуконтактного методов. На втором проходе проводим измерения электрических сил или потенциалов, магнитных полей, диссипаций, распределений емкости и т.д.

Для исключения влияния рельефа поверхности на результаты измерений на втором проходе зондовый датчик отодвигается от поверхности на расстояние dZ и движется по траектории, повторяющей рельеф образца. Расстояние dZ подбирается таким образом, чтобы между колеблющимся зондом и образцом оставалось достаточное расстояние, исключающее влияние рельефа на получаемый результат. Но это расстояние не должно быть очень большим, так как в этом случае уменьшается измеряемый сигнал и ухудшается латеральное разрешение. В некоторых случаях может быть необходимым и третий проход для исключения влияния не только рельефа, но и поверхностного электрического поля.

Магнитная силовая микроскопия (МСМ) позволяет получить изображение пространственного распределения магнитных сил по поверхности образца. МСМ позволяет изучать характеристики магнитных носителей, магнитную структуру магнетиков, достигая при этом субмикронного разрешения, магнитные поля токовых шин и пр. Наиболее важной задачей является минимизация влияния рельефа на изображение распределения магнитных сил по поверхности образца. Для решения этой задачи магнитные измерения осуществляются с помощью двухпроходного метода.

В процессе сканирования производится следующая процедура. На первом проходе сканируемой строки определяется рельеф по полуконтактному методу. Затем зондовый датчик отводится от поверхности образца на расстояние dZ.

На втором проходе той же строки датчик движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф поверхности. Таким

образом,	во время второго прохода расстояние между скани-
руемой	поверхностью и зондовым датчиком поддерживает-

ся постоянным. Это расстояние должно быть достаточно большим, чтобы исключить влияние рельефа поверхности. В этом случае зонд подвергается воздействию только дальнодействующих сил, основной вклад в которые осуществляется магнитными силами образца. Но расстояние dZ не должно быть чрезмерно

большим, так как в этом случае уменьшается измеряемый сигнал и

33

ухудшается латеральное разрешение. Во время второго прохода с помощью пьезодрайвера зонд приводится в колебательное состояние на резонансной частоте. Посредством регистрации изменений фазы колебаний зонда формируется изображение распределения

z-составляющей градиента магнитных сил по поверхности образца

(рис. 3.1).

а б

Рис. 3.1. Изображения магнетика с доменным строением: а – топографии; б – z-составляющей градиента магнитных сил

Электростатическая силовая микроскопия (ЭСМ) является эффективным средством для исследования распределения электрического поля и зарядов по поверхности образца с субмикронным разрешением. Изображения, полученные с помощью этой методики, интерпретируются как пространственное распределение z- составляющей градиента электрического поля по поверхности образца. Для исключения влияния рельефа поверхности на результаты исследования используется двухпроходная методика.

В процессе сканирования производится следующая процедура. На первом проходе сканируемой строки определяется рельеф поверхности по полуконтактному методу.

На втором проходе зонд отводится от поверхности образца на расстояние dZ. С помощью пьезодрайвера зонд приводится в колебательное состояние резонансной частоте, между зондом и образцом подается постоянное напряжение смещения Uo, и осуществляется повторное сканирование. Зондовый датчик движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф поверхности

34

образца. Посредством регистрации изменений фазы колебаний зонда формируется изображение распределения z-составляющей градиента электрического поля по поверхности образца (рис. 3.2).

Во время второго прохода расстояние между сканируемой поверхностью и зондовым датчиком поддерживается постоянным. Это расстояние должно быть достаточно большим, чтобы исключить влияние рельефа. В таком случае зонд подвергается воздействию только дальнодействующих сил, основной вклад в которые осуществляется электрическими свойствами образца. Но расстояние dZ не должно быть чрезмерно большим, так как в этом случае

уменьшается измеряемый сигнал и ухудшается латеральное разрешение (см. рис. 3.2).

а	б
Рис. 3.2 Изображения графитовой пленки:	а – топографии;

б – z-составляющей градиента электрического поля по поверхности образца

Метод зонда Кельвина (МЗК) позволяет изучать распределение поверхностного потенциала по образцу. Для этого в процессе сканирования необходимо поддерживать амплитуду колебаний зонда, раскачиваемого электрическим полем на частоте своего механического резонанса, равной нулю, путем изменения постоянного напряжения смещения U0.

При работе по МЗК значение переменной составляющей напряжения смещения U1 · sin(ωt) должно быть достаточно большим для

35

возбуждения колебаний зонда. Частота переменного электрического поля выбирается равной резонансной частоте зондового датчика.

Если при каком-то значении постоянного напряжения амплитуда колебаний становится равной нулю, значит это напряжение U0 равно поверхностному потенциалу в этой точке. Для исключения влияния рельефа поверхности на результаты исследования используется двухпроходная методика.

В процессе сканирования производится следующая процедура. На первом проходе сканируемой строки определяется рельеф по полуконтактному методу. На втором проходе зонд отводится от поверхности образца на расстояние dZ. На зонд подается переменное напряжение U1 · sin(ωt), раскачивающее зонд на частоте ωравной резонансной частоте зонда. Изменением величины постоянного напряжения смещения U0(x, y) с использованием цепи обратной связи поддерживается равной нулю амплитуда колебания зонда. Зонд перемещается над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца. В процессе всей съёмки получаются изображения топографии образца и отображение распределения z-составляющей градиента поверхностного потенциала по образцу (рис. 3.3).

а б

Рис. 3.3. Изображение графитовой пленки топографии (а); отображение распределения z-составляющей градиента поверхностного потенциала по образцу (б)

Во время второго прохода расстояние между поверхностью образца и зондовым датчиком поддерживается постоянным. Оно должно быть довольно большим, чтобы исключить влияние релье-

36

фа. В этом случае на зонд действуют только дальнодействующие силы, которые обуславливаются электрическими свойствами образца. Расстояние dZ не должно быть чрезмерно большим, так как в этом случае уменьшается измеряемый сигнал и ухудшается латеральное разрешение (см. рис. 3.3). На рис. 3.4 представлено изображение на экране монитора процесса съемки топографии графитовой пленки, полученное перед использованием метода зонда Кельвина. В правом верхнем углу представлена схема работы сканирующего зондового микроскопа. Над изображением топографии пленки представлен текущий профиль сканирования ее рельефа. На этой схеме луч лазера отражается от кантилевера и попадает на приемные фотоэлементы. Положение луча позволяет с высокой точностью установить расположение кантилевера и его смещение. Таким образом, каждое изменение положения кантилевера регистрируется и позволяет точно воспроизводить изображение поверхности образца.

Рис. 3.4. Изображение процесса съемки топографии графитовой пленки, полученное перед использованием метода зонда Кельвина. В правом верхнем углу представлена схема работы сканирующего зондового микроскопа

37

Сканирующая емкостная микроскопия (СЕМ) предназначена для исследования распределения поверхностной емкости по образцу. С помощью СЕМ можно изучать локальные диэлектрические свойства приповерхностных слоев образца. Например, распределения легирующих примесей в полупроводниках с ионной имплантацией. Для исключения влияния рельефа поверхности на результаты исследования используется двухпроходная методика.

В процессе сканирования производится следующая процедура. На первом проходе снимается изображение рельефа по полуконтактному методу.

Затем зондовый датчик отводится от поверхности на расстояние dZ, между зондом и образцом подается напряжение смещения U0, переменное напряжение U1 · sin(ωt), и осуществляется повторное сканирование. Для увеличения колебаний зонда на второй гармонике частота ω выбирается равной половине резонансной частоты зондового датчика. На втором проходе датчик движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца. Поскольку в процессе сканирования локальное расстояние между зондовым датчиком и поверхностью в каждой точке постоянно, изменения амплитуды колебаний зонда на частоте 2ω будут связаны с изменением емкости системы зонд-образец.

Во время второго прохода расстояние между сканируемой поверхностью и зондовым датчиком поддерживается постоянным. Это расстояние должно быть достаточно большим, чтобы исключить влияние рельефа. В таком случае зонд подвергается воздействию только дальнодействующих сил, основной вклад в которые осуществляется емкостными свойствами образца. Но расстояние dZ не должно быть чрезмерно большим, так как в этом случае умень-

шается измеряемый сигнал и ухудшается латеральное разрешение

(рис. 3.5).

38

а б

Рис. 3.5. Изображение графитовой пленки топографии (а); отображение распределения z-составляющей градиента поверхностного емкости по образцу (б)

3.3. Экспериментальная установка

На рис. 3.6 показан сканер с емкостными датчиками. Внутри металлического кожуха сканера размещается пьезокерамическая трубка. Предметный столик с образцом устанавливается на магнитный фиксатор сканера.

Рис. 3.6. Сканер с емкостными датчиками

39

3.4. Контрольные вопросы

1.На каких принципах основаны многопроходные методы

АСМ?

2.При каких условиях возможна работа АСМ в режиме магнитной силовой микроскопии?

3.Как меняются сигналы Height и Phase в зависимости от рель-

ефа поверхности образца при сканировании в режиме электростатической силовой микроскопии?

4.Какие величины определяются при работе АСМ в режиме зонда Кельвина?

5.Почему происходит изменение сигналов Height и Phase при изменении рельефа поверхности образца?

6.Как изменяется значение емкости по поверхности образца при работе сканирующей емкостной микроскопии?

3.5. Порядок выполнения работы

Сканирующий зондовый микроскоп, предназначенный для получения изображений сканов, – уникальная дорогостоящая установка, поэтому с самого начала действий и до их полного завершения необходимо полностью следовать приведенному ниже порядку выполнения лабораторной работы.

1.Включить компьютер и установку СЗМ.

2.Установить проводящий зондовый датчик для полуконтактных методов и настроить систему регистрации отклонений кантилевера.

3.Установить образец на подложку с пружинным контактом.

4.Установить измерительную головку.

5.Подвести образец к зонду на расстояние 0,5 – 1 мм.

6.Для проведения работы в режиме магнитной силовой микроскопии необходимо установить магнитный зондовый датчик

изапустить программу управления и предварительно провести

сканирование образца по полуконтактному методу (лабораторная работа 2 пп. 6 – 15). Затем нужно на панели управления в списке Mode выбрать метод AC Magnetic Forse. После этого необходимо открыть область дополнительных операций и перейти на вкладку

40