Вопросы (стр. 2 )

зонда, системы перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам, регистрирующей системы.

Основные типы сканирующих зондовых микроскопов:

Сканирующий атомно-силовой микроскоп Сканирующий туннельный микроскоп Ближнепольный оптический микроскоп

Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом (кантилевер, игла или оптический зонд). При малом расстоянии между поверхностью и зондом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения, и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры).

Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа:

Конец зонда должен иметь размеры сопоставимые с исследуемыми объектами. Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема. Детекторы должны надежно фиксировать малые по величине возмущения регистрируемого параметра. Создание прецизионной системы развёртки. Обеспечение плавного сближения зонда с поверхностью. Электромнный микроскомп (ЭМ) — прибор, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока, пучка электронов с энергиями 200 эВ — 400 кэВ и более (например, просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения с ускоряющим напряжением 1 МВ).

Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000—10000 раз превосходит разрешение традиционного светового микроскопа и для лучших современных приборов может быть меньше одного ангстрема. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного по

5 Вопрос

Физические основы электронной микроскопии. Электронный микроскоп – прибор для наблюдения и фотографирования увеличенного (коэффициент увеличения достигает и больше) изображения объекта, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до энергий в условиях глубокого вакуума. Благодаря малой длине волны де Бройля электронов просвечивающие электронные микроскопы имеют разрешение до и могут сформировать изображение отдельного атома.

Разрешающая сила электронного микроскопа определяется главным образом сферическими аберрациями магнитных линз, которые практически вытеснили электрические линзы, приводящими к размытию фокальной точки в пятно конечных размеров. Кроме того, необходимо обеспечить очень высокую стабильность ускоряющего напряжения () и тока питания магнитных линз ().

Электронный пучок, сформированный осветительной системой, попадает на объект и рассеивается им. Рассеянная волна де Бройля преобразуется объективной линзой в изображение, которое с последующим увеличением переносится на экран системой проекционных линз. «Рассеивающей материей» для электронов является электростатический потенциал, образованный суперпозицией потенциалов атомов объекта. Изображение выявляет проекцию этого суммарного электростатического потенциала объекта на плоскость, перпендикулярную направлению распространения электронного пучка.

В экспериментальной электронной микроскопии как правило ограничиваются фиксацией положений атомов или групп атомов, а также информацией о дефектах кристаллической решётки. Первые изображения отдельных атомов впервые были получены в начале 70-х годов ХХ века. Предельное пространственное разрешение электронного микроскопа можно оценить с помощью формулы:

, (10.2)

где - величина сферических аберраций магнитных линз, - длина волны де Бройля ускоренных электронов. Например, для ускоряющего напряжения .

В электронной микроскопии изображение формируется с помощью дифракционных пучков путём физической реализации двойного (прямого и обратного) преобразования Фурье волн де Бройля с учётом фаз дифрагированных волн. В электронографическом структурном анализе, как и в случае рентгеноструктурного анализа, измеряются только интенсивности дифрагированных пучков, затем с помощью расчёта определяются их фазы и выполняется компьютерный синтез Фурье. Иными словами, в структурном анализе система, формирующая изображение, заменяется математическим суммированием рядов Фурье («математический микроскоп»). Возможности такого математического микроскопа очень велики и позволяют получить разрешение до при полном отсутствии аппаратных искажений, исключая обрыв ряда Фурье.

Таким образом, возможно получение объёмного распределения рассеивающей способности атомов, определение координат атомов с точностью до , измерение параметров анизотропного теплового движения атомов, распределения электронной плотности между атомами, т. е. характеристик химической связи. Следует отметить, что в структурном анализе для выполнения синтеза Фурье используется только периодическая составляющая картины рассеяния, причём рассеивающая электронная плотность усредняется по элементарной ячейке кристалла.

6 Вопрос

Молекулярно-лучевой эпитаксией называется метод выращивания эпитаксиальной пленки на монокристаллической подложке посредством конденсации одного или нескольких направленных пучков атомов (а в определенных случаях — и молекул), испаряемых из источника с узким отверстием для выхода

паров в сверхвысоковакуумной системе.

Устройство установки молекулярно-пучковой эпитаксии

Вакуумная камера

Камера создаётся из нержавеющего сплава высокой чистоты. Для обеспечения вакуума в камере, перед работой её прогревают до высоких температур. При этом происходит дегазация поверхности.

В современных установках могут использоваться несколько соединенных единой транспортной системой камер:

Рабочая камера, в которой осуществляется рост структуры. Загрузочная камера, выполняющая роль шлюза между рабочей камерой и атмосферой. Исследовательская камера с приборами.

Насосы

Форвакуумный насос — производит начальное откачивание газа из установки (до давления около 0,5 Па).

Абсорбционный насос — использует материалы с развитой поверхностью (например, порошок цеолита), которые при сильном охлаждении (жидким азотом) вбирают в себя часть газа из установки.

Магниторазрядный насос — откачка этим насосом производится благодаря наличию в нём распыляемых титановых электродов. Распыленный титан переосаждается на рабочую поверхность насоса, образуя плёнку, которая «прикрывает» попавший на поверхность газ. Используется для достижения сверхвысокого вакуума.

Манипулятор

Манипулятор (подложкодержатель) используется для крепления подложки, её вращения и нагревания.

Встроенный в манипулятор нагреватель обеспечивает предварительный прогрев образца для очистки его от грязи и сгона защитного слоя окисла.

Молекулярные источники

Для испарения необходимых для роста веществ используются молекулярные источники. Они состоят из следующих элементов:

Тигель из тугоплавкого материала (чистый нитрид бора или графит). От формы тигля зависит форма и однородность молекулярного пучка. В современных источниках используются эффузионные ячейки Кнудсена. Нагреватель (намотанная вокруг тигля спираль). Температура нагрева достигает 1900 K. Термопара для измерения температуры тигля. От температуры зависит плотность потока вещества в пучке. Заслонка перед тиглем. С её помощью можно резко выключать пучок для формирования четких гетерограниц в образце.

Криопанели

Для улучшения вакуума и вымораживания не попавших на подложку молекул испаряемого вещества вокруг манипулятора установлены криопанели — ёмкости, заполненные жидким азотом. Также они используются для разделения молекулярных источников друг от друга по температуре.

Системы контроля ростовых параметров

Вакууметры для измерения давления в камере (датчик Баярда-Альперта).

Масс-спектрометр для контроля состава молекулярного пучка, состава атмосферы и давления в камере. Термопары для измерения температуры образца (не точно, так как термопара не касается подложки - для этого лучше использовать пирометр), тиглей источников. Дифракция отраженных быстрых электронов (in-situ метод). Под острым углом пучок электронов отражается от подложки и попадает на флюоресцирующий экран. По картинке на этом экране в реальном времени можно узнать какого качества получается в данный момент слой п/п. Один из самых главных способов определения качества растущей плёнки.

Автоматизация

Использование управляющих блоков и компьютеров со специальным программным обеспечением позволяет ускорить процессы эпитаксии, упростить установку в обслуживании.

Подложка

Подложка — диск из монокристаллического кремния, арсенида галлия или другой структуры диаметром 40, 60 или 102 мм.