- Основи отримання топографічних зображень Система сканування XE
- Контактний АСМ
- Динамічний силовий мікроскоп (DFM)
Основи отримання топографічних зображень Система сканування XE
Наша сеть партнеров Banwar
Система сканування XE - це ключова перевага серії мікроскопів XE над іншими атомно-силовими мікроскопами. Інноваційна конструкція компанії Park Systems розділяє Z-сканер і латеральний сканер XY, це забезпечує виняткову продуктивність сервоприводу Z і точність сканування, яку практично неможливо досягти за допомогою інших мікроскопів АСМ. Z-сканер, будучи незалежним від XY-сканера пристроєм, працює на більш високій резонансній частоті в порівнянні з традиційним сканером, виконаним на основі п'єзоелектричної трубки. Тому застосовується блоковий п'єзоелектричний привід Z-сканера, який має високу частоту реагування, не менше 10 кГц в поєднанні з високим тягнуть-який штовхає зусиллям при належної попередньої навантаженні. Оскільки реакція сервоприводу Z системи сканування ХЕ має високу точність, це дозволяє збільшити частоту сканування в 10 разів в контактних системах Contact AFM і DFM серії XE в порівнянні з традиційними системами, виконаними на основі пьезотрубок, збільшити швидкість вимірювання та захистити зонд від поломок. Це гарантує отримання більш чітких зображень протягом тривалого періоду часу.
Контактний АСМ
У контактному режимі АСМ серії XE, також відомому як відштовхуючий режим, зонд АСМ виробляє м'який «фізичний контакт» із зразком. Зонд кріпиться до консолі кантільовери з малої пружинної постійної, яка нижче ефективної постійної сили, що утримує атоми зразка разом. У міру переміщення сканером зонда над зразком, або навпаки, контактні сили викликають вигин кантільовери, що призводить до змін на топографічному зображенні. Щоб зрозуміти це краще, см. Криву Ван Дер Вальсу на малюнку 1.
Малюнок 1. міжатомними сила в залежності від відстані
Мал. 2. Система сканування АСМ серії XE
З правого боку кривої атоми розділяє велика дистанція. У міру наближення атомів один до одного вони починають притягуватися. Це зусилля збільшується до тих пір, поки атоми не знаходитимуться настільки близько один від одного, що електронні хмари починають відштовхувати їх один від одного за рахунок дії електростатичних сил. Електростатичне відштовхування послаблює силу тяжіння, міжатомна взаємодія продовжує зменшуватися. Сила стає рівною нулю, як тільки відстань між атомами досягає двох ангстрем, що дорівнює довжині хімічного зв'язку. Як тільки сумарна сила Ван Дер Вальсу стане позитивною (відразливою), атоми увійдуть в контакт один з одним.
У режимі відштовхування або «контакту» нахил кривої Ван Дер Вальсу стає досить крутим. В результаті цього, відразлива сила Ван Дер Вальсу врівноважує будь-яку силу, яка змушує атоми притягатися. Для АСМ це означає, що коли кантилевер притискає зонд до зразка, то він згинається таким чином, що атоми зонда (голки) максимально наближаються до атомам зразка. Якщо скористатися досить жорстким кантільовери для збільшення зусилля впливу зонда на зразок, міжатомна взаємодія зонда і зразка зменшується незначно. Замість цього, можлива деформація поверхні зразка (нанолітографії). Крім сил Ван Дер Вальсу, описаних раніше, між зондом і зразком також діють ще дві сили при роботі контактного АСМ серії XE: капілярна сила, яка є наслідком наявності тонкого шару води з навколишнього середовища і зусилля, що створюється самим кантільовери. Капілярна сила збільшується, як тільки вода скупчується навколо зонда і створює силу тяжіння (приблизно 10-8 Н). Ця сила утримує зонд (голку) в контакті з поверхнею зразка. Величина цієї сили залежить від відстані «зонд-зразок». Сила, вироблена кантільовери, нагадує зусилля стиснутої пружини. Величина і знак (відштовхування або притягання) сили кантільовери залежить від відхилення кантільовери і пружною постійної (див. «Спектроскопія Fd в режимі XE» для отримання детальної інформації).
До тих пір, поки зонд знаходиться в контакті зі зразком, капілярна сила повинна бути постійною, оскільки відстань між зондом і зразком фактично незмінно. Крім того, водяний шар повинен бути однорідним. Змінна зусилля в контактному АСМ серії XE-створюється кантільовери. Результуюче зусилля дії зонда на зразок = сумі капілярної сили і притискає сили від кантільовери: це зусилля повинне відповідати силі відштовхування Ван Дер Вальсу для контактного АСМ. Величина результуючого зусилля на зразку варіюється від 10-8 Н (з кантільовери, що відштовхуються від зразка, при стікання води з зонда - см. «Спектроскопія Fd»), до типових значень в 10-7 до 10-6 М. АСМ серії XE здатний визначити навіть невелике відхилення кантільовери при переміщенні зонда по поверхні зразка.
Тому, коли кантилевер сканує опуклу поверхню зразка, він переміщається вгору, і коли він сканує западину, то переміщається вниз. Відхилення зонда є сигналом зворотного зв'язку, який передається в привід (Z). Для відтворення топографічного зображення зразка привід Z зберігає однакову відхилення кантільовери шляхом підтримки постійної дистанції між зондом і зразком.
Серія XE АСМ визначає положення кантільовери за допомогою оптичних датчиків. У схемі, показаній на малюнку 2, лазерний промінь відбивається від задньої поверхні кантільовери і падає на фотодетектор, чутливий до положення променя (PSPD). Як тільки кантилевер зміщується, то і положення лазерного променя змінюється. Фотодетектор PSPD вимірює зміщення світлового пучка з точністю не менше 10Å. Співвідношення відстаней між кантільовери і детектором до довжини самого кантільовери створює механічне збільшення (посилення). В результаті цього система здатна виявляти вертикальне зміщення зонда кантільовери в частки ангстрем.
Інші методи виявлення відхилення кантільовери реалізовані на основі ефекту оптичної інтерференції і навіть зонд скануючого тунельного мікроскопа використовується для визначення відхилення кантільовери. Кантилевер може бути виготовлений з п'єзорезистивного матеріалу, який називається кантільовери «прямої дії», в цьому випадку його відхилення можна оцінити по електричному сигналу. У п'єзорезистивних матеріалах кантільовери механічна деформація призводить до зміни його опору. В цьому випадку лазерний промінь і датчик PSPD зовсім не потрібні.
Як тільки контактний АСМ серії XE виявляє зсув кантільовери, він генерує топографічний ряд даних в одному з двох режимів - постійної сили або постійної висоти. У режимі постійної сили відхилення кантільовери може служити вхідним сигналом для контуру зворотного зв'язку, який переміщує сканер вгору і вниз уздовж осі Z. У цьому випадку, зображення генерується зміщенням сканера. Якщо відхилення кантільовери є постійною величиною, результуюча сила дії зонда на зразок є постійною. У режимі постійної сили швидкість сканування обмежується часом реакції в контурі зворотного зв'язку, але сумарна сила дії зонда на зразок при цьому точно контролюється. Режим постійної сили є контактним режимом роботи АСМ серії XE і він кращий для вирішення більшості завдань.
Режим постійної висоти використовується для отримання атомарних зображень дуже гладких поверхонь. Тут сервопривід Z вимкнений і зразок сканується без контуру зворотного зв'язку Z. Замість відхилення кантільовери використовується сигнал про помилку для отримання топографічного зображення, так як висота сканера фіксована. Відхилення кантільовери і варіації сили досить малі. Режим постійної висоти важливий для запису в режимі реального часу зображень поверхонь змінюється профілю, в тому випадку, якщо потрібна висока швидкість сканування.
Динамічний силовий мікроскоп (DFM)
Динамічний силовий мікроскоп (DFM) серії XE подібний неконтактні АСМ (True Non-Contact) серії XE в багатьох аспектах, в тому числі щодо сили і принципу вимірювання. DFM є гібридом двох основних методів вимірювання, які включають в себе контактний режим і неконтактна режим. В DFM серії XE кантилевер у вільному стані вібрує приблизно з резонансною частотою як і в неконтактному методі вимірювання, і одночасно з цим, він вібрує біля поверхні зразка, періодично стикаючись з нею. Зонд контактує з поверхнею зразка, як в контактному методі вимірювань.
Малюнок 2. Резонансна частота кантільовери
Малюнок 3. Зрушення резонансної частоти в момент наближення зонда до поверхні зразка
Малюнок 4. Залежність дистанції «зонд-зразок» від амплітуди змінюється при наближенні зонда до поверхні зразка
Якщо вимірюється амплітуда вібрацій кантільовери в DFM серії XE при зміні частоти, як показано на рис. 3, то виникає спеціальна частота, яка є резонансною (зі значним приростом амплітуди). Ця частота називається власної (f0). DFM серії XE використовує зворотний зв'язок для неконтактного режиму при фіксації частоти вібрації (f1) трохи нижче резонансної частоти в режимі вільних коливань. Слід зазначити, що неконтактна АСМ працює на частоті вібрації, яка вище резонансної частоти. При опусканні зонда константа сили знижується в результаті дії сили Ван Дер Вальсу, яка збільшується в міру наближення зонда до поверхні зразка, як показано на малюнку 4.
Тому резонансна частота стає ефективною (feff) в неконтакт режимі і амплітуда частоти f1 збільшується на ΔА. Оскільки амплітуда збільшується на ΔА, ланцюг зворотного зв'язку в неконтактному режимі вимірювання зменшує дистанцію між зондом і поверхнею зразка на Δd, як показано на графіку залежності амплітуди вібрації від дистанції «зонд - зразок» і зворотного зв'язку по Z, як показано на рис. 5. Тому вібраційний кантилевер, який робить коливання над зразком, майже досягає поверхні зразка або навіть стосується його поверхні. Даний метод, що забезпечує переривчасто-контактний режим між поверхнею зразка і вібраційних кантільовери, називається DFM.
При скануванні вищі амплітуди кантільовери призводять до зменшення дистанції між зондом і зразком, а малі амплітуди, навпаки, супроводжуються збільшенням дистанції в залежності від шорсткості поверхні, таким чином, формується топологічне зображення поверхні. Динамічний силовий мікроскоп (DFM) серії XE має перевагу перед контактним режимом, так як він менше пошкоджує зразок через відсутність тягне зусилля при переміщенні уздовж зразка, латеральної сили і сили тертя. Але контакт закономірно призводить до зносу зонда і деградації поверхні зразка (див. «Неконтактний режим в порівнянні з напівконтактному режимом»). Дозвіл DFM не настільки високо, як в неконтактному режимі True Non-Contact АСМ серії XE, так як дуже гострий кінець голки надзвичайно крихкий і відразу тупітся при випадковому контакті зі зразком.
Слід зазначити, що ударна сила при взаємодії «зонд-зразок» в напівконтактному методі настільки велика, що носить руйнівний характер. Зображення при напівконтактному режимі можна отримати без бічної сили тертя, але ударна сила вище, ніж в стандартному контактному АСМ. Звідси значний знос зонда, погіршення дозволу і пошкодження зразка. Це особливо актуально для дослідження м'яких матеріалів (див. «Неконтактний АСМ для вивчення біологічних зразків»).