Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Микроскоп атомных сил (МАС)



Одним из крупных недостатков СТМ является необходимость наличия проводимости у исследуемых образцов. Это не позволяет изучать широкий класс систем, имеющих высокое сопротивление – высокоомные полупроводники, диэлектрики и т.п.

Чтобы получить изображение профиля поверхности приходится наносить на поверхность проводящее металлическое покрытие. Это не только не удобно, поскольку требует проведения дополнительных технологических операций, но и чревато опасностью получения ложных результатов. Напыленная пленка может иметь свою структуру, отличающуюся от структуры образца, она может вызвать перестройку расположения атомов в поверхностном слое, может химически прореагировать с диэлектриком. Естественно, что не может быть и речи об изучении электронной структуры. Это побудило Биннига и др. разработать прибор - микроскоп атомных сил (МАС) [41].

Принцип работы МАС заключается в следующем. Как уже отмечалось выше (раздел 2.12), имеется сильное взаимодействие частицы с поверхностью твердого тела при малых расстояниях между ними. Для описания зависимости энергии этого взаимодействия от расстояния можно использовать эмпирическое выражение Леннарда-Джонса (2.12.8). На больших расстояниях имеется притяжение, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса. При малых, когда перекрываются электронные оболочки, возникают репульсивные силы. Если разместить на гибкой балке (кантилевере) небольшое острие, то кантилевер должен изгибаться под действием силы взаимодействия. Величина изгиба, его направление определяется силой, действующей на острие. Качественно зависимость силы от промежутка между острием и поверхностью, которая определяется производной энергии по расстоянию, не отличается от действующей между атомом и твердым телом (рис.3.9.1). Конечно, следует учесть, что и образец, и острие состоят из большого количества атомов. Это приводит к несколько другим зависимостям энергии взаимодействия от расстояния. В частности, в случае сферы и плоской поверхности их энергия взаимодействия может быть выражена следующим образом:

(3.9.1)

где АН – константа Хамакера, зависящая от поляризуемости и плотности материалов образца и острия, z – расстояние от поверхности до центра ближайшего атома острия.

Если при перемещении острия вдоль поверхности зафиксировать силу, действующую между острием и поверхностью (это соответствует постоянству изгиба кантилевера), то можно получить рельеф поверхности, измеряя необходимое для этого смещение кантилевера (рис.3.9.2). Остается только зарегистрировать это смещение. Для этих целей в первых работах использовался СТМ. С тыльной стороны лепестка размещалось острие туннельного микроскопа, с помощью которого контролировалось положение гибкой консоли. В дальнейшем, для этих целей стали применять оптическую систему регистрации. На рис.3.9.3 приведена принципиальная схема. Пучок света, создаваемого лазером, направляется на тыльную часть кантилевера, имеющую отражающую поверхность. Отраженный свет попадает на координатно-чувствительный фотоприемник, разделенный на 4 сектора. Сравнение токов этих секторов позволяет определить положение острия.

Чувствительность прибора может быть доведена до такой степени, что возможно измерение сил на уровне ~10-18н. Чтобы оценить, насколько фантастически мала эта цифра, рассчитаем силу, с которой взаимодействует один (единственный!) атом с поверхностью твердого тела. Воспользуемся для этого потенциалом 6-12 (2.12.8). Допустим, что z велико и можно пренебречь репульсивными силами. Тогда для силы, с которой притягивается атом к поверхности, получаем:

(3.9.2)

Используя C3=18 эВ×А3 (экспериментально полученная величина для взаимодействия атома тантала с вольфрамом [42]) для z=10 Å имеем:

(3.9.3)

Т.е. получаем величину на шесть (!) порядков превышающую чувствительность прибора.

В настоящее время используются несколько режимов работы МАС, основанных на зависимости силы, воздействующей на острие со стороны образца, от расстояния: контактный, полуконтактный (или прерывисто-контактный) и бесконтактный (рис.3.9.4).

При контактном режиме зонд находится в области действия сил отталкивания - фиксируется либо величина силы, либо смещение, необходимое для поддержания силы на постоянном уровне. При бесконтактном режиме острие удалено от поверхности и находится в зоне действия сил притяжения. Силы притяжения значительно слабее сил отталкивания, поэтому для повышения чувствительности применяют модуляцию промежутка между острием и поверхностью. Используется то обстоятельство, что собственная частота колебаний кантилевера с острием изменяется при наличии дополнительной силы. В полуконтактном режиме зонд частично касается поверхности, при этом он попеременно находится как в области притяжения, так и в области отталкивания.

Принципиальная конструкция МАС приведена на рис.3.9.5. Образец располагается на пьезокерамическом двигателе, позволяющем перемещать его по трем координатам. Кантилевер размещается на пьезовибраторе, с помощью которого задается нужная частота и амплитуда колебаний острия. Положение острия фиксируется оптической системой. Пучок света, создаваемого лазером, отражается от тыльной стороны кантилевера и попадает на фотоприемник. Сигнал с координатного фотодетектора поступает на синхронный детектор, вырабатывающий информацию об амплитуде и фазе колебаний. Эти данные используются для выработки сигнала рассогласования с нужной, наперед заданной, величиной, который поступает на элементы управления положением образца. Кроме того, эта информация записывается регистрирующим устройством, что позволяет получить изображение рельефа поверхности.

В настоящее время микроскоп атомных сил позволяет исследовать строение поверхности твердых тел с атомным разрешением. В качестве примера на рис.3.9.6.а приведено изображение поверхности кремния (001). На этой поверхности имеет место реконструкция поверхностного слоя. На рис.3.9.6.б приведена модель поверхностного слоя, на которой представлено расположение атомов в идеализированном случае, при отсутствии перестройки. Видно, что каждый поверхностный атом имеет две оборванные связи, что не выгодно с энергетической точки зрения. В действительности атомам энергетически выгоднее изменить атомную структуру – они смещаются вдоль поверхности (рис.3.9.6-в). Имеет место спаривание, в результате которого в два раза уменьшается количество оборванных связей. При этом в одном из направлений ячейка на поверхности имеет в два раза больший размер, чем в объеме, т.е. структуру (2х1). На изображении поверхности (рис.3.9.6-а) светлым прямоугольником выделена элементарная ячейка. Отчетливо видно сближение атомов в одном из направлений.

 

 

а б в
Рис.3.9.6. Изображение поверхности кремния (100), полученное в МАС с атомным разрешением (а) и схематическое изображение расположения атомов на этой поверхности в случае нереконструированной поверхности (б) и после реконструкции (в).

 

Сканирующая микроскопия, использующая острие, быстро развивается. Появилось целое поколение приборов - сканирующие зондовые микроскопы, позволяющие с высоким пространственным разрешением изучать магнитные, оптические, термические и др. свойства [43]. Так, в случае электросиловой микроскопии (ЭСМ) используется сила, возникающая между заряженными поверхностями. Если между поверхностями имеется разность потенциалов U, то энергия их взаимодействия пропорциональна емкости С:

(3.9.4)

 

Сила, с которой притягиваются они друг к другу, определяется производной:

(3.9.5)

Используя это обстоятельство, становится возможным получить информацию о распределении потенциала вдоль поверхности, о свойствах диэлектрического слоя.

Если в качестве зонда использовать намагниченное острие, то появляется возможность исследовать магнитную структуру поверхностных слоев. Эта разновидность зондовой микроскопии называется магнитно-силовой (МСМ). Опять-таки, в этом случае используется дополнительная сила, возникающая вследствие взаимодействия острия, которое можно рассматривать как магнитный диполь с магнитным моментом .

Сила, действующая на зонд при наличии магнитного поля, может быть записана следующим образом:

(3.9.6)

В случае однородного магнитного поля эта сила равна нулю, но в неодно-родном поле на больших расстояниях от поверхности

она может существенно превышать ван-дер-Ваальсовы силы, что позволяет исследовать магнитную структуру поверхности (рис.3.9.7). На рис.3.9.8 в качестве примера приведено изображение массива магнитных наноструктур, сформированных в пленке Fe-Cr. Каждой однородно намагниченной частичке соответствует пара точек – светлая и темная, в соответствии с полюсами магнита.

Разработка ближнеполь-ной оптической микроскопия (БОМ) позволила преодолеть дифракционный предел и сделала возможной изучение оптических свойств поверхностей с разрешением, близким к атомному.

Дифракционный предел определяет минимальный размер объекта, изображение которого может быть получено при использовании света с длиной волны l:

(3.9.7)

где п – показатель преломления среды. Поэтому для оптического диапазона эта величина не превышает 200-300 нм. В ближнепольной оптической микроскопии используются другие принципы, что позволяет преодолеть дифракционный предел и получить разрешение порядка 10 нм и лучше.

В обычных условиях свет не проходит через диафрагмы с размерами, много меньшими чем длина волны света (рис.3.9.9). Однако, электромагнитное поле в области диафрагмы имеет достаточно сложную структуру. В ближней зоне за отверстием, до расстояний порядка сотни диаметров отверстия существует электромагнитное поле в виде эванесцентных (не распространяющихся) волн. Мощность излучательных мод пренебрежимо мала вне этой ближней области. Однако, если имеется

 

а б
Рис.3.9.9. При малых размерах диафрагмы отсутствует распространение света (а). Излучение становится возможным при наличии взаимодействия с близко расположенной поверхностью (б).

 

поверхность твердого тела в непосредственной близости с диафрагмой, то вследствие взаимодействия с образцом часть энергии эванесцентных мод переходит в излучательную, интенсивность которой может быть зарегистрирована. Это позволяет исследовать оптические свойства с разрешением, значительно более высоким, чем это позволяет дифракционный предел.

Рабочим элементом в ближнепольных микроскопах является конусообразное острие, изготовленное из оптоволокна. Вершина зонда покрывается тонким слоем металла, причем таким образом, что на кончике остается не запыленный участок малой апертуры (рис.3.9.10). Через него и осуществляется воздействие фотонов на образец при расположении зонда на расстояниях порядка 100 и менее нанометров. На рис.3.9.11 приведено изображение поверхности InAs, на которой отчетливо видно расположение квантовых точек из GaAs.

Рис.3.9.10. Острие изготавливается из стекловолокна, вершина которого запыляется металлом. Незапыленная вершина имеет размеры значительно меньшие длины волны света. Рис.3.9.11. Изображение квантовых точек, полученных с помощью ближнепольного оптического микроскопа.

 

 

Рекомендуемая литература

Р1. Елинсон М.И., Васильев Г.Ф. «Автоэлектронная эмиссия», ГИФМЛ, М., 1958, 272 с.

Р2. А.Модинос “Авто-, термо- и вторично-эмиссионная спектроскопия”. Изд-во “Наука”, М., 1990, 319 с.

Р3. Л.Н.Добрецов, М.В.Гомоюнова “Эмиссионная электроника”. Изд-во “Наука”, М., 1966.

Р4. «Ненакаливаемые катоды» Ред. М.И.Елинсон, «Сов. Радио», 1974, 331 с.

Р5. Фишер Р., Нойман Х. «Автоэлектронная эмиссия полупровод-ников», пер. с нем., М., 1971. .

Список использованных источников

1. R.H.Fowler, W.B. Nordheim //Electron Emission in Intense Electric Fields // Proc.Roy.Soc.A., 119 (1928) 173.

2. Burgess R.E., Kroemer H. //Corrected values of Fowler – Nordheim field emission functions v(y) and s(y)// Phys. Rev., 90 (1953) 515.

3. Muller E.W., Young R.D. //Experimental measurement of the total-energy distribution of field-emitted electrons // Phys. Rev., 113 (1959) 115.

4. И.С.Градштейн, И.М.Рыжик “Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений”, ГИФМЛ, М., 1963;

5. W.B. Nordheim //Remarks on energy losses attending thermionic emission of electrons from metals // Phys. Rev. 59 (1940) 906.

6. Bergeret H. // Nottingham effect of a superconducting metal// Phys. Rev. B. 31 (1985) 149..

7. Dyke W.P., Trolan J.K. // Field emission: large current densities, space charge, fnd the vacuum arc // Phys. Rev., 89 (1953) 799,.

8. Мюллер Э., Цонь Т. «Автоионная микроскопия». Металлургия, М., 1072. 360 с..

9. А.Г.Федорус, Ю.М.Коноплев, Ф.Г.Наумовец //Электронные и адсорбционные свойства системы барий – грань (100) вольфрама.// ФТТ, 11 (1969) 207.

10. Ф.И.Ицкович //Об автоэмиссионной эффективной работе выхода ряда металлов.// ФММ, 30 (1970) 560.

11. В.Г.Иванов, Г.Н.Фурсей, И.Л.Сокольская // Исследование автоэлектронной эмиссии германия // ФТТ, 1967, 9, N 4, с.1144-1148.

12. Г.Н.Фурсей, В.Г.Иванов //Автоэлектронная эмиссия Si, очищенного десорбцией полем // ФТТ, 9 (1964) 1812.

13. Adachi H. //Emission characteristics of metal–insulator–metal tunnel cathodes// J.Vacuum.Sci.Technol.B., 14 (1996) 2093.

14. Острие+д/э

15. V. V. Zhirnov, G. J. Wojak, W. B. Choi, J. J. Cuomo, and J. J. Hren //Wide band gap materials for field emission devices// J. Vac. Sci. Technol. A 15 (1997) 1733.

16. P.G.Borzjak, O.G.Sarbej, R.D.Fedorowitsch //Neue Erscheinungen in sehr dunnen Metallschichten// Phys. Stat. Sol., 8 (1965) 55.

17. М.И.Елинсон В.Н.Луцкий //Экспериментальное исследование спектрального состава горячих электронов, эмитированных кремниевым р-п переходом // ФТТ, 6 (1964) 2343.

18. Г.В.Степанов, В.И.Покалякин, М.И.Елинсон // Особенности эмиссии горячих электронов из естественных р-п переходов в кристаллах SiC // ФТТ, 3 (1961) 1752.

19. Zhirnov V.V., Alimova A.N., Yren J.J. //Anomalous field emission from Al2O3 coated Si tips// Applied Surf. Sci. Vol. 191, 20 (2002).

20. Malter L. //Thin film field emission// . Phys. Rev. Vol. 50 , p.49, 1936..

21. Fursey G.N. //Field emission in vacuum micro-electronics// Applied Surf. Sci. Vol. 215, 113 (2003)

22. Li L., Liu L., Wen J. //Microstructure changes of cathodes after electron emission in high power diodes// J. Phys. D: Appl. Phys., 40 , (2007) 5338.

23. И.Л.Сокольская //Применение автоэмиссионного микроскопа для изучения поверхностной диффузии и самодиффузии// В сб. «Поверхностная диффузия и растекание» Ред. Я.Е.Гегузин. «Наука», М., 1969, с.108.

24. Д.М.Паутов, И.Л.Сокольская // ФТТ, 10 (1968) 2473.

25. Г.Г.Владимиров, И.Л.Сокольская //Концентрационная зависимость энергии миграции Ti по W// ФТТ, 12 (1970) 1423.

26. Г.Г.Владимиров, Б.К.Медведев, И.Л.Сокольская //Миграция Ti по вольфраму в сильных электрических полях// ФТТ, 12 (1970) 539. 561

27. Yeong K. S., Thong J. T. L. //Life cycle of a tungsten cold field emitter// J. Appl. Phys. Vol. 99, 104903 (2006).

28. Затвор

29. P. R. Schwoebel, I. Brodie //Surface-science aspects of vacuum microelectronics// J. Vac. Sci. Technol. B 13(4), 1391 (1995).

30. Yang Y. H., Wang B., Xu N. S., Yang G. W. //Field emission of one-dimensional micro- and nanostructures of zinc oxide.// Appl. Phys. Lett. Vol. 89, 043108 (2006).

31. Young-Kwang Kima, Jong-Pil Kima, Chang-Kyun Parka, Sung-Jun Yuna, Won Kima, Shin Heu, Jin-Seok Park //Electron-emission properties of titanium carbide-coated carbon nanotubes grown on a nano-sized tungsten tip // Thin Solid Films 517 (2008) 1156–1160 Табл

32. M I Shakir, M Nadeem, S A Shahid and N M Mohamed //Carbon nanotube electric field emitters and applications// Nanotechnology 17 (2006) R41–R56.

33. G.Binnig, H.Rohrer, Scanning tunneling microscope; Патент USA от 10.08.82, Int. Cl. G 01 N 23/00, N4, 343, 993.

34. Simmons J.G. //Generalized formula for the electric tunnel effect between similar electrodes separated by a thin insulating film // J.Appl.Phys. 34, 1793 (1963)

35. Selloni, P.Carnevali, E.Tossatti, C.D.Chen //Voltage-dependent scanning-tunneling microscopy of crystal surface: Graphite // Phys. Rev. B31, 2602 (1985).

36. J.Bardeen //Tunnelling from a many-particle point of view// Phys. Rev. Lett, 6, 57 (1961).

37. M. F. Crommie, C. P. Lutz and D. M.Eigler //Imaging standing waves in a two-dimensional electron gas // Nature 363, 524–527, (1993).

38. R.J.Hamers, R.M.Tromp, J.E.Demuth //Surface electronic structure Si(111)-(7x7) resolved in real space // Phys.Rev.Lett., 56, 1972 (1986).

39. P.Muralt, D.W.Pohl //Scanning tunneling potentiometry// Appl. Phys. Lett. 48, 514 (1986).

40. G.Binnig, C.F.Quate, Ch.Gerber //Atomic force microscope// Phys. Rev. Lett., 56 (1986) 930 – 933.

41. J.Bardon, M.Audiffren //Medium range interaction between neutral metal atoms and a metallic surface (Ta/W)// J. Physique-Letters, 44 (1983) L883.

42. Миронов «Основы сканирующей зондовой микроскопии». Техносфера. М., 2004, 114 c.

 

F3.1. N.Negishi, T.Chuman, Sh.Iwasaki, T.Yoshikawa,H.Ito, K.Ogasawara // High efficiency electron-emission in Pt/SiOx/Si/Al structure // Jpn. J. Appl. Phys. 36, L939-L941 (1997)

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.