CC BY
29
ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
НАНОТЕСТЕР ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ И МОДИФИКАЦИИ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР: СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИКИ, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИСПЫТАНИЕ МАКЕТНОГО
ОБРАЗЦА А.О. Голубок, С.Ю. Керпелева
Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) - один из базовых приборов в современной нанотехнологии. Визуализация микро- и наноструктур на поверхности образцов в СЗМ основана на детектировании локального взаимодействия между твердотельным нано-зондом и образцом. Измеряя туннельный ток или локальную силу взаимодействия между нанозондом и образцом в процессе прецизионного механического сканирования, можно не только визуализировать топографию поверхности, но и построить пространственную карту электронных и механических характеристик образца (электрического потенциала, работы выхода электрона, плотности электронных состояний, механической твердости, коэффициента трения). Кроме того, СЗМ используется как нанолитограф, так как он обеспечивает наномодификацию поверхности за счет высокой плотности туннельного тока, высокой напряженности электрического поля и сильного механического давления в области наноконтакта. Следует отметить, что объектами визуализации, диагностики и модификации в СЗМ могут быть не только твердотельные наноструктуры, но и образцы биологического характера, причем в силу природы контраста СЗМ может функционировать как в вакууме, так и в газе и жидкости. Последнее обстоятельство позволяет визуализировать и модифицировать биообъекты, например, клетки в нативном состоянии.
Одним из основных элементов, определяющих качество СЗМ, является датчик локального силового взаимодействия и туннельного тока. Обычно в качестве датчиков туннельного тока используют очень остро заточенные металлические иглы, подключенные на вход преобразователя ток-напряжение (ПТН). Основная проблема, возникающая здесь при измерении сверхмалых токов (10"10-10"12А) - это устранение токов утечки и уменьшение входной емкости. Датчиками силового воздействия обычно являются прогибающиеся под действием локальной силы упругие элементы (кантилеве-ры) с нанозондом и оптической системой регистрации сверхмалых прогибов на основе твердотельного лазера и секционированного фотодиода. Кантилевер представляет собой закрепленную с одного конца кремниевую пластинку с хорошо отражающей свет полированной поверхностью и нанозондом в виде выступающей на другом конце над плоскостью пластинки кремниевой нанопирамидки.
Использование кантилеверов для детектирования силового взаимодействия затрудняет работу с нативными клетками в жидкости вследствие капиллярных сил, действующих на упругий элемент со стороны жидкости. Кроме того, необходимая при работе с кантилеверами оптическая система регистрации нуждается в точной юстировке и не всегда согласуется с требованиями к конструкции, например, при совмещении СЗМ с растровым электронным микроскопом. А такое совмещение весьма привлекательно с точки зрения нанотехнологий, поскольку оно объединяет в одной установке преимущества сфокусированного сканирующего электронного пучка и сканирующего твердотельного нанозонда.
Мы предлагаем разработать, изготовить и испытать пьезорезонансный датчик локального силового взаимодействия на основе простого и компактного пьезокерамическо-го элемента с закрепленным на нем нанозондом в виде остро заточенной вольфрамовой иглы. [1]. В отличие от стандартного кантилевера, такому датчику не нужна оптическая
10
схема регистрации отклонения нанозонда и не требуется система оптической юстировки, а силовое взаимодействие между нанозондом и образцом измеряется с помощью электрических сигналов, возникающих в датчике в результате пьезоэффекта. Имея значительно большую механическую жесткость, чем стандартные кремниевые кантилеверы, датчик может работать как в силовом режиме, так и в режиме измерения туннельного тока, он также может работать с жидкими образцами без специальной адаптации, обеспечивает простое совмещение СЗМ с растровым электронным микроскопом.
Первоначально атомно-силовой микроскоп (АСМ), разработанный Биннингом [2], работал в режиме, при котором его острие находилось в контакте с образцом, и действующие силы могли быть либо притягивающие, либо отталкивающие. Здесь сила Е, возникающая между образцом и острием, сбалансирована отклонением г острия, равным г = Е/к, где к - жесткость узла крепления острия. АСМ, работающие в контактном режиме, способны воспроизводить изображения как проводящих, так и непроводящих образцов с атомным или молекулярным разрешением.
Чтобы исследовать электрические, магнитные и ван-дер-ваальсовские поля, можно немного отвести острие от поверхности образца и вынуждать его вибрировать на резонансной или близкой к ней частоте [3]. Для амплитуды вибрации, намного меньшей, чем расстояние от образца до острия, можно использовать приближение теории возмущений, чтобы моделировать влияние типовых силовых полей на вибрирующее острие. Если в отсутствие силового поля осциллятор имел жесткость к, и частоту резонансных колебаний ш0, то в изменяющемся в пространстве силовом поле с градиентом ¥\ (Е- производная от локальной силы, возникающей между острием и поверхностью) он приобретет эффективную жесткость к1 = к - ¥' и измененную резонансную частоту Ю1 = [к]/т] [3], здесь т - эффективная масса осциллятора. Изменение в резонансной частоте вызывает изменение в фазе и амплитуде колебаний острия, которое может использоваться для измерения полей взаимодействия. Поместив иглу на пьезоэлектрический элемент и используя систему обратной связи, можно получить топографическую карту производной от силы над поверхностью образцов, которая происходит из истинной топографии или от электрического и магнитных полей. Недостаток работы в этом бесконтактном режиме -некоторая потеря в разрешении. Преимущество, однако, состоит в возможности получения существенного увеличения чувствительности к малым производным силы.
Для моделирования бесконтактного режима работы при малых амплитудах колебаний зонда над поверхностью можно использовать приближение теории возмущений, но оно совершенно не подходит для больших значений амплитуд колебаний. В частности, когда амплитуда вибрации равна или больше промежутка между острием и поверхностью образца, возникает случай нелинейной осцилляторной системы с внешним возбуждением, который требует численного решения.
Чтобы моделировать движение управляемого нелинейного осциллятора, необходимо решить, какой тип сил будет играть главную роль во взаимодействии поверхности и острия. Взаимодействие зонда с образцом на больших расстояниях (область притяжения) мы будем описывать в рамках модели Леннарда-Джонса для сферы и плоскости [4]. При малых расстояниях между острием и образцом (область отталкивания) сферическое острие надавливает на поверхность образца, деформируя ее. Для моделирования отталкивающей части взаимодействия мы будем использовать классическую силу упругого расталкивания двух тел. Комбинация этих сил позволит проанализировать колебания зонда при больших амплитудах.
Нелинейность колебательной системы значительно усложнят анализ вида колебаний. Действительно, в течение полного колебательного цикла острие, главным образом, испытывает силу притяжения и только в течение короткой фазы цикла - силу отталкивания. Кроме того, мягкий образец острие деформирует больше, чем жесткий. В обоих случаях импульс острия меняется от конечного значения до нуля, но мягкий образец испытает меньшую силу, работающую в течение большего промежутка времени. Жест-
кий образец, с другой стороны, испытает большую силу, действие которой длится более короткое время.
На рис.1 схематически изображена механическая модель датчика. Здесь показана жестко закрепленная на одном конце пьезоэлектрическая трубка, которая управляет положением острия по оси г, колеблющаяся с частотой а и амплитудой А.
пьезотрубка острие —
образец пьезосканер
Рис. 1. Схема механической системы, для моделирования датчика
Результаты численного эксперимента лягут в основу разработки опытного образца датчика. Разработка и изготовление опытного образца датчика будут проводиться на основе имеющегося в исследовательской группе экспериментального задела в области датчиков взаимодействия для СЗМ [6], технологии изготовления нанозондов для СЗМ [5]. Испытание опытного образца датчика будет проводиться с использованием имеющегося в исследовательской группе опыта разработки и эксплуатации различных типов СЗМ, включая СЗМ, совмещенный с растровым электронным микроскопом [3-5].
На данном этапе выполнения работы были разработаны конструкции датчиков универсального взаимодействия и произведены расчеты.
Работа выполнена при поддержке грантов научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениями науки и техники», подпрограмма «Электроника» (208), тема НИР: «Нанотестер для диагностики и модификации микро- и наноструктуры: создание и исследование методики, изготовление и испытание макетного образца», код проекта/НИР: 208.04.01.№016, а также при поддержке конкурса 2003 г. на соискание грантов для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобразования России (тема НИР «Исследование экзоэлектронной эмиссии с использованием метода сканирующей зондовой микроскопии и спектроскопии»).
Литература
1. Голубок А.О., Сапожников И.Д., Соловьев А.М., Типисев С.Я. Комбинированные методики сканирующей туннельной и силовой микроскопии. // Микроэлектроника. 1997. Т. 26. В.4. С. 291-296.
2. Биннинг Г., Рорер Г. Сканирующая туннельная микроскопия - от рождения к юности. Нобелевская лекция по физике. // УФН. 1996. Т.154. В.2. С. 261.
3. A.O. Golubok, S.A. Masalov and N.A. Tarasov, Thermofield tip formation in UHV/STM combined with field-emission microscope, Ultramicroscopy, 42-44, P. 1574-1579 (1992).
4. A.O. Golubok and V.A. Timofeev, STM combined with SEM without SEM capability limitations, Ultramicroscopy, 42-44, P. 1558-1563 (1992).
5. Голубок А.О., Давыдов Д.Н., Тимофеев В.А., Типисев С.Я. Сканирующий туннельный микроскоп при атмосферном давлении. / В сб Научное приборостроение. Выпуск Электронно-ионная оптика. Л.: Наука, 1989. С.72-76
6. Голубок А.О., Давыдов Д.Н., Нахабцев Д.В. Аппаратные и программные средства сканирующего туннельного микроскопа. / В сб. Научное приборостроение. Выпуск Электронно-ионная оптика. Л.: Наука, 1989. С.77-84.
