Программа курса «Современные методы диагностики в наноматериалах. Часть 2» (стр. 4 )

При проведении количественных измерений с помощью СЗМ особое значение имеет калибровка прибора. В отличие от большинства распространенных систем электронных, рентгеновских и оптических микроскопов, свойства пьезокерамических сканеров СЗМ могут значительным образом меняться во времени, что сказывается на точности проводимых измерений. Для калибровки применяются различные образцы с заранее известными параметрами и структурой.

Проведение количественных электрофизических измерений с помощью СЗМ представляет особую сложность в связи с тем, что в такой системе действует множество неопределенных и переменных факторов, таких как радиус кривизны и форма кончика зонда, которые могут меняться во время сканирования, толщина проводящего покрытия кантилевера и свойства наноразмерного электрического контакта.

Атомно-силовая микроскопия (АСМ)

Разновидность Сканирующей Зондовой микроскопии (СЗМ), основанная на использовании механического зонда для получения данных о структуре поверхности на микро - и наноразмерном уровне. При исследовании твердотельных образцов, данный метод позволяет:

1)  Получить 2d и 3d изображения поверхности с разрешением до долей ангстрема по высоте и 1-2 нм в латеральном направлении.

2)  Определить параметры объектов на поверхности, параметры решетки (для определенных образцов).

3)  Произвести анализ локальных физических свойств (жесткости, распределения сил адгезии и т. п.) образца.

Существует множество методов АСМ, отличающихся использованием различных видов взаимодействия между зондом и образцом, алгоритмов перемещения зонда над поверхностью и обработки данных, чтобы получить изображение поверхности. В данной работе предлагается использовать так называемый «Tapping Mode» или полуконтактный метод АСМ. В этом методе зонд колеблется с высокой амплитудой, так что при движении к поверхности он пробивает адсорбционный слой воды на поверхности и достигает состояния механического контакта с поверхностью, а при движении назад - полностью выходит из адсорбционного слоя. Причина выбора данного метода:

1)  Высокая скорость измерения.

2)  Высокое разрешение и точность исследования образца.

Электро-силовая микроскопия (ЭСМ)

Электро-силовая микроскопия представляет собой двухпроходную методику СЗМ, позволяющую получать информацию о распределении электростатического поля вдоль поверхности образца. Метод ЭСМ основан на регистрации сил кулоновского притяжения или отталкивания между зондом и локальным участком поверхности в ходе сканирования.

По природе измеряемого сигнала и информации, которую он несет, можно выделить несколько основных видом ЭСМ:

1)  Динамическая ЭСМ с постоянным напряжением смещения (позволяет получать распределение кулоновских сил вдоль поверхности с высоким разрешением).

2)  Динамическая ЭСМ с переменным напряжением смещения (позволяет исследовать распределение поверхностного потенциала образца, концентрацию носителей в образце, емкость системы зонд-образец).

3)  Квазистационарная ЭСМ с постоянным напряжением смещения (позволяет получать распределение кулоновских сил с очень высоким разрешением).

4)  Квазистационарная ЭСМ с переменным напряжением смещения (аналогично 2).

В данной работе используется метод Динамической ЭСМ с постоянным напряжением смещения. Величина кулоновской силы притяжения или отталкивания зависит от напряжения смещения (заряда на зонде), статического заряда исследуемой локальной области образца, расстояния между положением равновесия зонда и образцом, свойств атмосферы, концентрации носителей в зонде и исследуемой области образца.

Эксперименты по АСМ и ЭСМ проводятся на установке NT-MDT Solver Pro P47. Данная установка является автоматизированной и позволяет получать изображения образцов практически во всех модах СЗМ. АСМ измерения производятся при помощи зондов изготовленных из сильнолегированного кремния производства NT-MDT либо Veeco без покрытия. ЭСМ измерения производятся при помощи зондов, покрытых тонкой пленкой PtIr, W2C либо Co.

Основные элементы и узлы установки:

1)  образец

2)  зонд

3)  балка кантилевера

4)  пьезокерамический двигатель образца

5)  пьезокерамический двигатель зонда

6)  лазер

7)  фотоприемник

8)  система обратной связи

Эффекты конволюции и эффекты, связанные с наличием воды на поверхности

Важной проблемой в АСМ исследованиях остаются вычисление реальной геометрии исследуемых объектов в случае, когда их латеральный размер близок к радиусу кривизны кончика иголки СЗМ и учет эффектов, связанных с адсорбционным слоем воды. В ЭСМ используются зонды с дополнительным металлическим покрытием, что увеличивает радиус кривизны кончика зонда. Это приводит к тому, что даже объекты с латеральными размерами порядка 40 нм (коллоидные частицы золота радиусом 20 нм на поверхности слюды) измеряются существенно уширенными. Существует множество алгоритмов т. н. «деконволюции» изображений – восстановления истинного профиля исследуемой частицы. Наиболее известные и зарекомендовавшие себя методы описаны в [5-8]. В ходе работы необходимо произвести анализ полученных изображений с помощью любого из приведенных методов и определить реальные размеры объектов.

Интерпретация ЭСМ данных

Серьезной проблемой остается достоверная трактовка данных ЭСМ. Возможные получаемые искажения определяются в первую очередь неопределенной площадью взаимодействия зонда и образца, неизвестной и изменяющейся геометрией иглы, а также сложностью и незаконченностью общей теории ЭСМ сигнала. Использование динамической ЭСМ с постоянным напряжением смещения позволяет избежать большинства проблем, связанных с природой измеряемого сигнала, т. к. нет влияния емкости системы зонд-образец, динамики концентрации основных носителей в образце и т. д.

Порядок выполнения работы

Изготовление и подготовка образцов

Для приготовления образцов предлагается набор химических реактивов и коллоидных растворов частиц золота различных калиброванных диаметров, предоставленный фирмой PELCO. В состав набора входят следующие компоненты:

1)  500ml коллоидного раствора частиц золота диаметром ~ 5 нм.

2)  500ml коллоидного раствора частиц золота диаметром ~ 15 нм.

3)  500ml коллоидного раствора частиц золота диаметром ~ 30 нм.

4)  500ml коллоидного раствора частиц золота диаметром ~ 10 нм.

5)  500ml коллоидного раствора частиц золота диаметром ~ 20 нм.

6)  500ml органического раствори% Poly-L-Lysine.

7)  9 шт специальных клейких пластин для крепления пластин с образцом к держателю.

Порядок приготовления образца:

1)  Отделить защитный слой от пластинки слюды.

2)  Очистить поверхность слюды с помощью скотча.

3)  Нанести на поверхность слюды 20 мкл раствора Poly-l-Lysine.

4)  Смыть раствор Poly-l-Lysine с помощью 1х10-3 л. деионизованной воды.

5)  Высушить подготовленное основание в потоке азота.

6)  Нанести 20х10-6 л. коллоидного раствора монодисперсного золота на поверхность слюды.

7)  Выдержать 10 минут.

8)  Промыть образец с нанесенными частицами золота с помощью 1х10-3 л. деионизованной воды.

9)  Высушить приготовленный образец в потоке азота.

10)  Поместить приготовленный образец в термический шкаф с температурой 600С на 60 минут.

Атомно-силовая микроскопия

Задачи этапа работы:

1)  Исследовать структуру поверхности образца.

2)  Получить распределение частиц по высоте.

3)  Определить плотность частиц на поверхности.

Последовательность действий с образцом:

1)  Установить приготовленный образец на держатель для образцов.

2)  Установить новый зонд, подходящий для выбранного режима исследований.

3)  Осуществить грубый и точный подводы зонда к образцу.

4)  Провести однократное или многократное сканирование выбранной области.

5)  Выполнить анализ полученных данных:

a.  Построить распределение частиц по высоте

b.  Рассчитать плотность частиц на поверхности.

c.  Сделать вывод о достоверности получаемых данных и видимости подложки.

Подробное описание см. в методическом пособии по лабораторной работе «Атомно-силовая микроскопия».

Электро-силовая микроскопия

Задачи этапа работы:

1)  Получить распределение фазового контраста, коррелированного с распределением наночастиц на поверхности образца.

2)  Измерить зависимость величины фазового контраста от напряжения смещения.

3)  Получить зависимость величины фазового контраста он полярности напряжения смещения.

Последовательность действий с образцом:

1)  Установить приготовленный образец на держатель для образцов.

2)  Установить подходящий для электрических измерений зонд.

3)  Осуществить грубый и точный подводы зонда к образцу.

4)  Настроить систему ОС для работы в двухпроходном режиме с измерением распределения фазового контраста с максимальной точностью.

5)  Произвести серию сканирований участка поверхности с различными напряжениями смещения.

6)  Выполнить анализ полученных данных:

a.  Соотнести распределение потенциала с распределением частиц по поверхности.

b.  Построить график зависимости величины фазового контраста от напряжения при разных знаках напряжения.

c.  Сравнить величины фазового контраста для отдельных частиц и кластеров.

К первому занятию необходимо изучить процедуру изготовления образца Ted Pella, изучить теоретические основы АСМ и ЭСМ. Также необходимо начать изучение алгоритмов реконструкции поверхности.

Обработка результатов и теоретическое моделирование

Задачи этапа работы:

1)  Разработать модель деконволюции и провести анализ поверхности с учетом формы кончика зонда.

2)  Разработать качественную и количественную модель электростатического взаимодействия колеблющегося зонда и заряженной проводящей поверхности.

Последовательность действий:

1)  Разработать модель учета формы кончика зонда при сканировании исходя из сферической формы кончика зонда и сферической частицы на поверхности.