Лекция №2 Конструкция сканирующего

зондового микроскопа

План:

1. Основные узлы сканирующего зондового микроскопа. 2. Устройство и принцип работы сканера. Неидеальность сканера. 3. Зондовые датчики для атомно-силовых микроскопов. 4. Система сканирования в СЗМ «Nanoeducator».5. Искажения изображений сканером и зондом.

Основные узлы сканирующего зондового микроскопа

Основные узлы сканирующего зондового микроскопа: зонд, кантилевер, сканер, система регистрации взаимодействия, система обратной связи.

Для работы зондовых микроскопов необходимо контролировать рабочее расстояние зонд-образец и осуществлять перемещения зонда в плоскости образца с высокой точностью (на уровне долей ангстрема). Эта задача решается с помощью специальных манипуляторов - сканирующих элементов (сканеров). Сканирующие элементы зондовых микроскопов изготавливаются из пьезоэлектриков – материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Пьезоэлектрики изменяют свои размеры во внешнем электрическом поле.

kijkij Edu xxx Edu ||xrr Edu Тензор деформации в электрическом поле:

Трубчатый пьезоэлемент

Под действием разности потенциалов между внутренним и внешним электродами трубка изменяет свои продольные размеры. В этом случае продольная деформация под действием радиального электрического поля имеет вид:

h

VdEd

l

xu rxx

0 h

Vldx 0

Таким образом, при одном и том же напряжении V удлинение трубки будет тем больше, чем больше ее длина и чем меньше толщина ее стенок.

Принцип работы сканера

Сканеры зондовых микроскопов

Сканирующий элемент в виде трипода, собранный на трубчатых

пьезоэлементах

Сканирующий элемент в виде одной пьезотрубки с несколькими

электродами

Сканеры зондовых микроскопов

Устройство биморфного элемента

Трехкоординатный сканер на трех биморфных элементах Трехкоординатный сканер на одном

биморфном элементе

Неидеальность сканера Несмотря на ряд технологических преимуществ перед кристаллами, пьезокерамики обладают некоторыми недостатками, отрицательно влияющими на работу сканирующих элементов.

Нелинейность деформации пьезокерамики

Крип пьезокерамики

kijkij Edu

... klijkkijkij EEEdu

Крип (creep - ползучесть) – запаздывание реакции пьезокерамики на изменение величины управляющего электрического поля.

Неидеальность сканера

Гистерезис пьезокерамики - неоднозначность зависимости удлинения от направления изменения электрического поля

Гистерезис приводит к тому, что при одних и тех же управляющих напряжениях пьезокерамика оказывается в различных точках траектории в зависимости от направления движения. Для исключения искажений СЗМ изображений, обусловленных гистерезисом пьезокерамики, регистрацию информации при сканировании образцов производят только на одной из ветвей зависимости Z=f(V)

Зондовые датчики для атомно-силовых микроскопов

Зондирование поверхности в атомно-силовом микроскопе производится с помощью специальных зондовых датчиков, представляющих собой упругую консоль – кантилевер (cantilever) с острым зондом на конце. Датчики изготавливаются методами фотолитографии и травления из кремниевых пластин. Упругие консоли формируются, в основном, из тонких слоев легированного кремния, SiO2 или Si3N4.

Радиус закругления современных АСМ зондов составляет 1 ÷ 50 нм в зависимости от типа зондов и технологии их изготовления. Угол при вершине зонда - 10 ÷ 20º. Коэффициенты жесткости кантилеверов k варьируются в диапазоне 10-3 ÷ 10 Н/мв зависимости от используемых при их изготовлении материалов и геометрическихразмеров.

Зондовые датчики для атомно-силовых микроскопов

Технология изготовления кантилеверов

Система сканирования в СЗМ «Nanoeducator»

Конструкция датчика силового взаимодействия прибора Nanoeducator

Принцип работы пьезоэлектрической трубки в качестве датчика силового взаимодействия

В приборе Nanoeducator применяется универсальный датчик туннельного тока и модуляционного силового взаимодействия. Датчик выполнен в виде пьезокерамической трубки длиной l=7 мм, диаметром d=1,2 мм и толщиной стенки h=0,25 мм, жестко закрепленной с одного конца. На внутреннюю поверхность трубки нанесен проводящий электрод. На внешнюю поверхность трубки нанесены два электрически изолированных полуцилиндрических электрода. К свободному концу трубки прикреплена вольфрамовая проволока диаметром 100 мкм. Свободный конец проволоки, использующейся в качестве зонда, заточен электрохимически, радиус закругления имеет величину 0,2 – 0,05 мкм. Зонд имеет электрический контакт с внутренним электродом трубки, соединенным с заземленным корпусом прибора.

Способ организации микроперемещений, использующийся в приборе Nanoeducator, основан на использовании зажатой по периметру металлической мембраны, к поверхности которой приклеена пьезопластинка. Изменение размеров пьезопластинки под действием управляющего напряжения будет приводить к изгибу мембраны. Расположив такие мембраны по трем перпендикулярным сторонам куба и соединив их центры металлическими направляющими, можно получить трехкоординатный сканер

Система сканирования в СЗМ «Nanoeducator»

Каждый пьезоэлемент 1, закрепленный на гранях куба 2, может передвигать прикрепленный к нему толкатель 3 в одном из трех направлений – X, Y или Z при приложении к нему электрического напряжения. Все три толкателя соединены в одной точке 4. К этой же точке прикрепляется стойка 5 с держателем образца 6. В приборах Nanoeducator максимальное перемещение образца составляет около 50-70 мкм, что и определяет максимальную площадь сканирования.

Искажения изображения сканером и зондом

Возможные причины искажений в СЗМ изображениях

Искажения изображения сканером и зондом

Одним из недостатков, присущих всем методам сканирующей зондовой микроскопии, является конечный размер рабочей части используемых зондов. Это приводит к существенному ухудшению пространственного разрешения микроскопов и значительным искажениям в СЗМ изображениях при сканировании поверхностей с неровностями рельефа, сравнимыми с характерными размерами рабочей части зонда.

Фактически получаемое в СЗМ изображение является «сверткой» зонда и исследуемой поверхности. Процесс «свертки» формы зонда с рельефом поверхности. Однако знание геометрии зонда позволяет минимизировать это влияние при интерпретации полученных изображений, а так же использовать зонды, наиболее подходящие для отображения интересующих особенностей исследуемого образца.

Искажения изображения зондом

Искажения выпуклых деталей зондами различной формы

Искажения ступеньки на поверхности зондам различных форм

Недостаточно острые зонды не могут достать до дна углубления

Искажения изображения сканером

Перемещение сканера по трем координатным осям приводит к изогнутому изображению, даже когда фактическая поверхность образца плоская. В треногом сканере Z–пьезокерамика и соответственно закрепленный на ее конце зонд, движется при сканировании по дуге окружности (плоскости второго порядка). Эта дуга определяется физическими размерами треноги и не меняется при изменении скорости сканирования. Это искажение может быть легко удалено из полученного изображения вычитанием поверхности второго порядка

В сканере прибора Nanoeducator перемещения по трем координатам обеспечивают расположенные в ортогональную структуру три независимые пьезокерамики.

Список терминов и определений

Обратный пьезоэлектрический эффект – способность некоторых веществ изменять свои размеры под действием электрического поля;

Пьезокерамика – материал, полученный спеканием порошка микрокристаллов пьезоэлектрика (обладает высоким значением пьезомодуля);

Пьезоэлемент – устройство, содержащее пьезокерамику и электроды, способное изменять продольные размеры при приложении напряжения;

Сканеры – устройства из одного или нескольких пьезолементов, позволяющие производить прецизионные перемещения зонда или образца;

Нелинейность пьезокерамики – отклонение зависимости деформация–напряжение от линейного закона;

Крип – запаздывание реакции пьезокерамики на изменение величины управляющего электрического поля;

Гистерезис пьезокерамики – неоднозначность зависимости деформации пьезоэлемента от напряжения.

Вопросы для самостоятельной работы:

1. Что такое пьезоэффект?

2. Какова конструкция и принцип работы пьезоэлементов?

3. Какие разновидности сканеров вам известны?

4. К каким искажениям приводит использование пьезосканеров?

5. Как изготавливают кантилеверы для СЗМ?

6. Как устроена система сканирования в СЗМ Nanoeducator?

7. Каковы возможные искажения изображений, причиной которых являются зонды? Сканеры? Каковы методы их коррекции?