Лекция №1 Общие принципы и

возможности сканирующей зондовой микроскопии

План:

1. Общие принципы и понятия в сканирующей зондовой микроскопии. История создания зондовых микроскопов.

2. Туннельный микроскоп. 3. Атомно-силовой микроскоп. 4. Возможности сканирующей зондовой микроскопии в физике и

технологии.

Рекомендуемая литература

1. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. - Н.Новгород, 2004.2. Nanoeducator. Руководство пользователя.3. Nanoeducator. Учебное пособие.4. Суслов А.А., Чижик С.А. Сканирующие зондовые микроскопы // Материалы,

технологии, инструменты. – 1997, №3.5. Бинниг Г., Рорер Г. Сканирующая туннельная микроскопия: от рождения к юности //

Успехи физических наук. – 1988. – Т. 152, вып.2.6. Пул Ч., Оуэнс Ф. «Нанотехнологии». М.: Техносфера, 2006.7. «Нанотехнологии. Азбука для всех». Сборник статей под редакцией Ю.Д.

Третьякова, М.: Физматлит, 2007.8. www.ntmdt.ru - сайт отечественного производителя сканирующих зондовых

микроскопов компании NT-MDT 9. http://www.nanometer.ru/ - сайт нанотехнологического сообщества «Нанометр»

(Факультет наук о материалах МГУ)10. http://kbogdanov1.narod.ru/ - «Что могут нанотехнологии?», научно-популярный

сайт о нанотехнологиях.11. www.spmtips.com, www.veeco.com, www.spmtips.com, www.parkafm.com – сайты

производителей сканирующих зондовых микроскопов и зондов для них.

Общие принципы и понятия в сканирующей зондовой микроскопии

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) представляют собой семейство измерительных приборов, позволяющих производить исследование поверхностей различных материалов в масштабах от единиц нанометров до долей миллиметра.

Принципиальная схема СЗМ

Обобщенная структура сканирующего зондового микроскопа

Общие принципы и понятия в сканирующей зондовой микроскопии. История создания зондовых

микроскопов

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) – первый из семейства зондовых микроскопов - был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными сотрудниками компании IBM Герхардом Биннигом и Генрихом Рёрером. В 1986 году за создание туннельного микроскопа Г. Биннигу и Г. Рёреру была присуждена Нобелевская премия по физике.

Зондовая микроскопия

СТМ АСМ МСМ СБОМ

В 1986 г. Герхард Биннинг совместно с Калвином Куэйтом и Кристофером Гербером изобрели новый тип микроскопа, названный ими атомно-силовым микроскопом (АСМ). Новый микроскоп позволил обойти ограничения своего предшественника. С помощью АСМ можно получать изображения поверхности как проводящих, так и непроводящих материалов с атомарным разрешением, причем в атмосферных условиях.

Герхард Биннинг Генрих Рёрер

Общие принципы и понятия в сканирующей зондовой микроскопии

В основе сканирующей зондовой микроскопии и спектроскопии лежит взаимодействие между твердотельным зондом, приближенным к объекту исследования на некоторое малое расстояние λ, где λ- характерная длина затухания взаимодействия «зонд-объект». Для получения изображения поверхности объекта, а также пространственного распределения его физико-химических свойств используются прецизионные системы позиционирования зонда. Пространственное разрешение СЗМ определяется характерным размером наноконтакта между зондом и образцом и может достигать атомных масштабов.

а) в сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) детектируется туннельный ток, протекающий между зондом и объектом;б) в сканирующих атомно-силовых микроскопах (АСМ) детектируется локальная сила, действующая между зондом и объектом, причиной которой могут быть Ван-дер-Ваальсовское, электростатическое (ЭСМ), магнитное взаимодействия (МСМ), трение (МЛС) и т. п.; в) работа сканирующих ближнепольных оптических микроскопов (СБОМ) основана на детектировании света около малого отверстия с диаметром меньшим длины волны (т.н. область ближнего поля), интенсивность которого экспоненциально затухает на расстоянии порядка длины волны света.

Сканирующий туннельный микроскоп

Принцип работы СТМ

Реализация атомарного разрешения в СТМ

Изготовление зонда для СТМ перерезанием проволоки из PtIr

Фотографии зондов для СТМ (слева – зонд, полученный электрохимическим травлением, справа

– механическим перерезанием проволочки)

Атомно-силовой микроскоп

Зависимость силы межатомного взаимодействия от расстояния между острием и образцом

В основе работы атомно-силовых микроскопов лежит использование различных видов силового взаимодействия зонда с поверхностью

12

0

6

00 2)(

r

r

r

rUrU

Параметр r0 – равновесное расстояние между атомами, U0 - значение энергии в минимуме.

АСМ может работать в одном из следующих режимов.

1. В контактном режиме зонд прижимается к образцу и его отклонение вызвано взаимным отталкиванием атомов острия иглы и поверхности в результате перекрывания их электронных оболочек и кулоновского отталкивания ядер.

2. В бесконтактном режиме АСМ отслеживает притягивающие ван-дер-ваальсовые силы между острием сканирующей иглы и образцом. Зазор между острием и образцом обычно составляет 5-10 нм.

Атомно-силовой микроскоп

Лазер

Подложка

Образец

Фотодетектор

Кантилевер

Общая схема работы атомно-силового микроскопа

Основные узлы АСМ

Фотографии зондов для АСМ

Оптическая система регистрации отклонения кантилевера

Атомно-силовой микроскоп

Возможности сканирующей зондовой микроскопии в физике и технологии

Реконструкция поверхности пористого кремния при помощи АСМ

Поверхность жесткого магнитного диска компьютера исследованная зондовым микроскопом (слева –

рельеф, справа – намагниченные области).

Список терминов и определений

СЗМ – сканирующая зондовая микроскопия;

СТМ – сканирующая туннельная микроскопия;

АСМ – атомно-силовая микроскопия;

МСМ – магнито-силовая микроскопия;

СБОМ – сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия;

МЛС – микроскопия латеральных сил (метод исследования локальных механических свойств поверхностей твердых тел);

ЭСМ – электростатическая силовая микроскопия (исследование на поверхностей локальных заряженных областей);

Сканер – устройство для нанопозиционирования зонда или образца в зондовом микроскопе;

Кантилевер – микроскопическая балка из кремния, на которой укреплен зонд атомно-силового микроскопа;

Вопросы для самостоятельной работы:

1. Каковы основные узлы сканирующего туннельного микроскопа?

2. Какова предыстория создания СЗМ, для каких целей его планировалось использовать?

3. Какие разновидности зондовых микроскопов вам известны?

4. На каком эффекте основан принцип действия СТМ? В каких еще явлениях встречается этот эффект? Кто впервые его описал?

5. Каков принцип действия АСМ?

6. Чем отличаются контактный и бесконтактный режимы в АСМ?

7. Как детектируется взаимодействие между зондом и поверхностью в АСМ?

8. Для каких исследований применяется СЗМ в физике?