1. Лекция №5
Исследование свойств
поверхности методами
сканирующей зондовой
микроскопии
План:
1. Микроскопия латеральных сил.
2. Магнито-силовая микроскопия.
3. Электростатическая силовая микроскопия.
4. Силовая микроскопия пьезоотклика.
5. Оптическая ближнепольная микроскопия.
6. Нанолитография.

2. Микроскопия латеральных сил
Микроскопия латеральных сил (МЛС) – это контактная АСМ, отображающая
латеральные (т.е. боковые) отклонения кантилевера (закручивание), которые
возникают в ней в плоскости параллельной поверхности образца. С помощью МЛС
возможна визуализация изменений поверхностного трения, являющихся
результатом негомогенности материала поверхности, а также для получения
контрастных изображений любых поверхностей
С созданием МЛС связано возникновение
такой области исследований, как
нанотрибология: эта технология
предоставляет исключительную
возможность исследовать процессы трения
и изнашивания на молекулярном уровне
при взаимодействии как отдельных
выступов микрорельефа, так и отдельных
атомов или молекул
Латеральные отклонения консоли обычно возникают по двум причинам: изменение наклона
поверхности и изменение ее фрикционных параметров (коэффициента трения). В первом случае
консоль может закручиваться, когда ей попадается постепенный наклон. Во втором случае
сканирующая игла, пересекая некоторый участок, может испытать большее трение, вызывая тем
самым и большее закручивание измерительной консоли. Чтобы разделить эти два эффекта, МЛС
должен «уметь» одновременно считывать данные о латеральном и вертикальном отклонении (т.е.
визуализировать топографию).

3. Магнито-силовая микроскопия
Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) был изобретен И.Мартином и
К.Викрамасингхом в 1987 г. для исследования локальных магнитных свойств
образцов. Данный прибор представляет собой атомно-силовой микроскоп, у
которого зонд покрыт слоем ферромагнитного материала
( )HmU

−=
( )HmUF

∇=−∇=
Потенциальная энергия
магнитного диполя в поле
Сила, действующая на диполь
в неоднородном поле
[ ]HmN

= Момент сил, действующих на
диполь
В однородном магнитном поле сила f=0, так что на диполь действует лишь момент сил,
который разворачивает магнитный момент m вдоль поля. В неоднородном поле диполь
втягивается в область с большей напряженностью H.

4. Магнито-силовая микроскопия
Для МСМ исследований магнитных образцов с сильно развитым рельефом
поверхности применяется двухпроходная методика. В каждой строке сканирования
производится следующая процедура. На первом проходе снимается АСМ
изображение рельефа в контактном или полуконтактном режиме. Затем зондовый
датчик отводится от поверхности на расстояние, и осуществляется повторное
сканирование. Расстояние выбирается таким образом, чтобы сила Ван-дер-Ваальса
была меньше силы магнитного взаимодействия.
На втором проходе датчик перемещается
над поверхностью по траектории,
повторяющей рельеф образца. Поскольку
в этом случае локальное расстояние
между зондовым датчиком и
поверхностью в каждой точке постоянно,
изменения изгиба кантилевера в процессе
сканирования связаны с
неоднородностью магнитных сил,
действующих на зонд со стороны
образца.
Часто бывает, что рельеф образца имеет мало общего с его магнитной структурой, поэтому
картины, полученные в первом и втором проходах совершенно различны.
Различают статическую и динамическую МСМ.

5. Магнито-силовая микроскопия
Моделирование МСМ изображения однородно намагниченной
частицы: (слева) - распределение намагниченности в частице;
(справа) – соответствующее МСМ изображение.
МСМ изображение массива
магнитных наночастиц
МСМ изображение поверхности жесткого
диска: вверху рельеф, внизу –
распределение намагниченности.

6. Электростатическая силовая микроскопия
В электросиловой микроскопии (ЭСМ) для получения информации о свойствах
поверхности используется электрическое взаимодействие между зондом и
образцом.
Пусть между зондом и образцом
подано постоянное напряжение U0 и
переменное напряжение U~=U1 ·sin(ωt).
Если тонкий слой на подложке
представляет собой полупроводник
или диэлектрик, то он может
содержать поверхностный заряд, так
что на поверхности образца
существует распределение потенциала
φ(x,y) . Напряжение между зондом и
поверхностью образца можно
представить в виде
),()sin(10 yxtUUU ϕω −+=
2
2
CU
E = Энергия взаимодействия
зонда с поверхностью
)(EgradF −=
dz
dC
U
dz
dE
Fz
2
2
1
−=−=
Сила взаимодействия зонда с поверхностью имеет три
составляющие: постоянную, на частоте ω и на частоте 2ω.
Последняя не зависит от распределения поверхностного
потенциала и позволяет исследовать локальные диэлектрические
свойства приповерхностных слоев образцов (емкостная
микроскопия).

7. Электростатическая силовая микроскопия
Детектирование сигнала на частоте ω позволяет изучать распределение
поверхностного потенциала ϕ(x, y) (так называемый метод зонда Кельвина). Для
этого при сканировании образца на втором проходе в каждой точке производится
следующая процедура. С помощью перестраиваемого источника постоянного
напряжения подбирается величина U0 таким образом, чтобы амплитуда колебаний
кантилевера на частоте ω становилась равной нулю. Это происходит в том случае,
если U0 = ϕ(x, y) в данной точке поверхности.
Двухпроходная методика ЭСМ
Рельеф поверхности (вверху) и распределение поверхностного потенциала
(внизу) пленки азобензола. Выделяются молекулы азобензола.

8. Силовая микроскопия пьезоотклика
Силовая микроскопия пьезоотклика – это разновидность контактной методики для
исследования образцов с пьезоэлектрическими свойствами, в которой между
зондом и образцом прилагается переменное напряжение. В результате обратного
пьезоэффекта поляризованные домены на поверхности начинают осциллировать,
вызывая колебания кантилевера. Амплитуда этих колебаний используется для
формирования контраста.

9. n
R
2
λ
=
Дифракционный предел – минимальный размер объекта, изображение
которого может быть построено оптической системой (для видимого
света эта величина составляет 200-300 нм).
Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ) был изобретен Дитером Полем
(лаборатория фирмы IBM, г. Цюрих, Швейцария) в 1982 году. В основе работы данного прибора
используется явление прохождения света через субволновые диафрагмы (отверстия с диаметром
много меньше длины волны падающего излучения).
Контраст СБОМ-изображений определяется
процессами отражения, преломления, поглощения и
рассеяния света, которые, в свою очередь, зависят
от локальных оптических свойств образца.
Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия
(СБОМ)
Структура оптического волокна
Регистрация оптического сигнала в
СБОМ
Изготовление зондов для СБОМ

10. Нанолитография
Обычно СЗМ применяются для формирования изображения поверхности без ее
повреждения. Однако и АСМ, и СТМ могут быть использованы для
направленной модификации поверхности путем приложения либо повышенной
нагрузки в случае АСМ, либо повышенных пульсаций тока в случае СТМ. Эта
технология известна как нанолитография.
Выделяют следующие виды зондовой литографии:
- СТМ литография;
- Локальное анодное окисление;
-АСМ силовая литография (статическая и динамическая –
«гравировка» и «чеканка»).
- СБОМ литография
Силовая литографияСТМ литография

11. Вопросы для самостоятельной работы:
1. Что такое двухпроходные методики, в чем их отличие от однопроходных, для
чего они нужны?
2. Каким образом можно измерить значение коэффициента трения при помощи
МЛС?
3. Что такое динамическая и статическая магнито-силовая микроскопия? В чем их
отличие?
4. Можно ли измерить магнитные характеристики материала (магнитная
проницаемость, коэрцитивная сила, остаточная намагниченность,
намагниченность насыщения) при помощи магнитно-силовой микроскопии?
5. Покажите, что сила электростатического взаимодействия зонда с поверхностью,
измеренная на частоте 2ω, зависит от диэлектрических свойств поверхности и
не зависит от её потенциала.
6. Как измерить петлю гистерезиса пьезоэлектрика при помощи микроскопии
пьезоотклика?