stringtranslate.com

Сканирующая зондовая микроскопия

Сканирующая зондовая микроскопия ( СЗМ ) — это раздел микроскопии , который формирует изображения поверхностей с помощью физического зонда, сканирующего образец. Компания SPM была основана в 1981 году с изобретением сканирующего туннельного микроскопа — инструмента для визуализации поверхностей на атомном уровне. Первый успешный эксперимент со сканирующим туннельным микроскопом был проведен Гердом Биннигом и Генрихом Рорером . Ключом к их успеху было использование петли обратной связи для регулирования расстояния между образцом и зондом. [1]

Многие сканирующие зондовые микроскопы могут одновременно отображать несколько взаимодействий. Способ использования этих взаимодействий для получения изображения обычно называют режимом.

Разрешение несколько варьируется от метода к методу, но некоторые зондовые методы достигают довольно впечатляющего атомарного разрешения. [ нужна цитата ] Во многом это связано с тем, что пьезоэлектрические приводы могут выполнять движения с точностью и аккуратностью на атомном уровне или лучше по электронной команде. Это семейство методов можно назвать «пьезоэлектрическими методами». Другим общим знаменателем является то, что данные обычно получаются в виде двумерной сетки точек данных, визуализируемых в искусственных цветах в виде компьютерного изображения.

Установленные типы

Формирование имиджа

Для формирования изображения сканирующие зондовые микроскопы растрово сканируют иглой по поверхности. В дискретных точках растровой развертки записывается значение (какое значение зависит от типа СЗМ и режима работы, см. ниже). Эти записанные значения отображаются в виде тепловой карты для получения окончательных изображений СТМ, обычно с использованием черно-белой или оранжевой цветовой шкалы.

Режим постоянного взаимодействия

В режиме постоянного взаимодействия (часто называемом «обратной связью») петля обратной связи используется для физического перемещения зонда ближе или дальше от исследуемой поверхности (по оси z ) для поддержания постоянного взаимодействия. Это взаимодействие зависит от типа СЗМ, для сканирующей туннельной микроскопии взаимодействием является туннельный ток, для контактного режима АФМ или МФМ - отклонение кантилевера и т. д. Типом используемой петли обратной связи обычно является ПИ-петля, которая представляет собой ПИД-контур , в котором дифференциальный коэффициент усиления установлен на ноль (поскольку он усиливает шум). Положение наконечника по оси z (плоскость сканирования — плоскость xy ) периодически записывается и отображается в виде тепловой карты. Обычно это называется топографическим изображением.

В этом режиме также создается второе изображение, известное как «сигнал ошибки» или «изображение ошибки», которое представляет собой тепловую карту взаимодействия, на которое была получена обратная связь. При идеальной работе это изображение будет пустым с постоянным значением. который был установлен в контуре обратной связи. В реальной работе на изображении виден шум и часто некоторые признаки структуры поверхности. Пользователь может использовать это изображение для редактирования коэффициентов усиления обратной связи, чтобы минимизировать особенности сигнала ошибки.

Если коэффициенты усиления установлены неправильно, возможны многие артефакты изображения. Если усиление слишком низкое, элементы могут выглядеть размытыми. Если усиление слишком велико, обратная связь может стать нестабильной и колебаться, создавая на изображениях полосатые элементы, которые не являются физическими.

Режим постоянной высоты

В режиме постоянной высоты датчик не перемещается по оси Z во время растрового сканирования. Вместо этого записывается величина исследуемого взаимодействия (т.е. туннельный ток для СТМ или амплитуда колебаний кантилевера для бесконтактной АСМ с амплитудной модуляцией). Эта записанная информация отображается в виде тепловой карты и обычно называется изображением постоянной высоты.

Визуализация на постоянной высоте гораздо сложнее, чем визуализация при постоянном взаимодействии, поскольку вероятность столкновения зонда с поверхностью образца гораздо выше. [ нужна ссылка ] Обычно перед выполнением визуализации на постоянной высоте необходимо выполнить изображение в режиме постоянного взаимодействия, чтобы проверить, что на поверхности нет крупных загрязнений в области изображения, измерить и скорректировать наклон образца и (особенно для медленных сканирований) измерить и исправить для теплового дрейфа образца. Пьезоэлектрическое сползание также может быть проблемой, поэтому микроскопу часто требуется время для стабилизации после больших перемещений, прежде чем можно будет выполнить визуализацию на постоянной высоте.

Визуализация на постоянной высоте может быть полезна для устранения возможности артефактов обратной связи. [ нужна цитата ]

Советы по использованию зонда

Характер наконечника зонда СЗМ полностью зависит от типа используемого СЗМ. Сочетание формы зонда и топографии образца составляет изображение СЗМ. [34] [ нужна ссылка ] Однако некоторые характеристики являются общими для всех или, по крайней мере, для большинства СЗМ. [ нужна цитата ]

Самое главное, зонд должен иметь очень острую вершину. [ нужна цитация ] Вершина зонда определяет разрешение микроскопа, чем острее зонд, тем лучше разрешение. Для визуализации с атомным разрешением зонд должен заканчиваться одним атомом. [ нужна цитата ]

Для многих СЗМ на основе кантилевера (например, AFM и MFM ) весь кантилевер и встроенный зонд изготавливаются методом кислотного травления [35] , обычно из нитрида кремния. Проводящие зонды, необходимые, среди прочего, для СТМ и СКМ , обычно изготавливаются из платино-иридиевой проволоки для работы в условиях окружающей среды или из вольфрама для работы в сверхвысоком давлении . Другие материалы, такие как золото, иногда используются либо по причинам, связанным с конкретным образцом, либо если СЗМ необходимо объединить с другими экспериментами, такими как TERS . Платиновые/иридиевые (и другие датчики окружающей среды) обычно режутся острыми кусачками. Оптимальный метод — разрезать большую часть провода, а затем потянуть, чтобы сломать последний кусок провода, увеличивая вероятность обрыва одного атома. Вольфрамовые проволоки обычно подвергаются электрохимическому травлению, после чего обычно необходимо удалить оксидный слой, когда наконечник находится в условиях сверхвысокого напряжения.

СЗМ-зонды (как покупные, так и «самодельные») нередко не дают изображения с желаемым разрешением. Это может быть слишком тупой наконечник или зонд может иметь более одного пика, что приводит к двойному или призрачному изображению. Для некоторых зондов возможна модификация вершины наконечника на месте , обычно это делается либо путем удара наконечника о поверхность, либо путем приложения сильного электрического поля. Последнее достигается применением напряжения смещения (порядка 10 В) между острием и образцом, так как это расстояние обычно составляет 1-3 Ангстрем , создается очень большое поле.

Дополнительное прикрепление квантовой точки к вершине кончика проводящего зонда позволяет получать изображения поверхностного потенциала с высоким поперечным разрешением и сканирующую микроскопию квантовых точек .

Преимущества

Разрешение микроскопов не ограничено дифракцией , а только размером объема взаимодействия зонда с образцом (т. е. функцией рассеяния точки ), которая может достигать нескольких пикометров . Следовательно, способность измерять небольшие локальные различия в высоте объекта (например, шаги в 135 пикометров на кремнии <100>) не имеет себе равных. В латеральном направлении взаимодействие зонд-образец распространяется только на кончик атома или атомов, участвующих во взаимодействии.

Взаимодействие можно использовать для модификации образца для создания небольших структур ( сканирующая зондовая литография ).

В отличие от методов электронной микроскопии, образцы не требуют частичного вакуума, но их можно наблюдать на воздухе при стандартной температуре и давлении или при погружении в реакционный сосуд с жидкостью.

Недостатки

Детальную форму сканирующего наконечника иногда трудно определить. Его влияние на полученные данные особенно заметно, если образец сильно различается по высоте на латеральных расстояниях 10 нм и менее.

Методы сканирования обычно медленнее получают изображения из-за процесса сканирования. В результате предпринимаются усилия по значительному повышению скорости сканирования. Как и все методы сканирования, внедрение пространственной информации во временную последовательность открывает двери для неопределенностей в метрологии, например, в отношении боковых расстояний и углов, которые возникают из-за эффектов временной области, таких как дрейф образца, колебания петли обратной связи и механическая вибрация.

Максимальный размер изображения обычно меньше.

Сканирующая зондовая микроскопия часто бесполезна для изучения скрытых границ раздела твердое-твердое или жидкость-жидкость.

Программное обеспечение для визуализации и анализа

Во всех случаях, в отличие от оптических микроскопов, для создания изображений необходимо программное обеспечение для рендеринга. Такое программное обеспечение создается и внедряется производителями приборов, но также доступно в качестве дополнительного оборудования у специализированных рабочих групп или компаний. Основные используемые пакеты — бесплатные: Gwyddion , WSxM (разработка Nanotec) и коммерческие: SPIP (разработка Image Metrology), FemtoScan Online (разработка Advanced Technologies Center ), MountainsMap SPM (разработка Digital Surf ), TopoStitch (разработка Image). Метрология).

Рекомендации

  1. ^ Салапака, Шриниваса; Салапака, Мурти (2008). «Сканирующая зондовая микроскопия». Журнал IEEE Control Systems . 28 (2): 65–83. дои : 10.1109/MCS.2007.914688. ISSN  0272-1708. S2CID  20484280.
  2. ^ Бинниг, Г.; CF Quate; Ч. Гербер (3 марта 1986 г.). «Атомно-силовой микроскоп». Письма о физических отзывах . 56 (9): 930–933. Бибкод : 1986PhRvL..56..930B. doi : 10.1103/PhysRevLett.56.930 . ПМИД  10033323.
  3. ^ Чжан, Л.; Т. Сакаи, Н. Сакума, Т. Оно, К. Накаяма; Сакума, Н.; Оно, Т.; Накаяма, К. (1999). «Исследование наноструктурной проводимости и поверхностного потенциала низкоавтоэмиссионных углеродных пленок методами кондуктивной сканирующей зондовой микроскопии». Письма по прикладной физике . 75 (22): 3527–3529. Бибкод : 1999ApPhL..75.3527Z. дои : 10.1063/1.125377.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. ^ Уивер, JMR; Дэвид В. Авраам (1991). «Потенциометрия атомно-силовой микроскопии высокого разрешения». Журнал вакуумной науки и техники Б. 9 (3): 1559–1561. Бибкод : 1991JVSTB...9.1559W. дои : 10.1116/1.585423.
  5. ^ Нонненмахер, М.; член парламента О'Бойл; ХК Викрамасингхе (1991). «Силовая микроскопия с зондом Кельвина». Письма по прикладной физике . 58 (25): 2921–2923. Бибкод : 1991ApPhL..58.2921N. дои : 10.1063/1.105227.
  6. ^ Хартманн, У. (1988). «Магнитно-силовая микроскопия: некоторые замечания с микромагнитной точки зрения». Журнал прикладной физики . 64 (3): 1561–1564. Бибкод : 1988JAP....64.1561H. дои : 10.1063/1.341836.
  7. ^ Рулофс, А.; У. Боттгер, Р. Васер, Ф. Шлапхоф, С. Трогиш, Л. М. Энг (2000). «Дифференциальное переключение сегнетоэлектрических доменов на 180 ° и 90 ° с помощью трехмерной силовой микроскопии пьезоотклика». Письма по прикладной физике . 77 (21): 3444–3446. Бибкод : 2000ApPhL..77.3444R. дои : 10.1063/1.1328049.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Мэти, младший; Ж. Блан (1985). «Сканирующая емкостная микроскопия». Журнал прикладной физики . 57 (5): 1437–1444. Бибкод : 1985JAP....57.1437M. дои : 10.1063/1.334506.
  9. ^ Эрикссон, Массачусетс; Р.Г. Бек, М. Топинка, Дж.А. Катин, Р.М. Вестервельт, К.Л. Кэмпман, А.К. Госсард (29 июля 1996 г.). «Криогенное сканирующее зондовое исследование полупроводниковых наноструктур». Письма по прикладной физике . 69 (5): 671–673. Бибкод : 1996ApPhL..69..671E. дои : 10.1063/1.117801 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  10. ^ Вагнер, Кристиан; Грин, Мэтью ФБ; Лейнен, Филипп; Дайльманн, Торстен; Крюгер, Питер; Ролфинг, Майкл; Темиров, Руслан; Тауц, Ф. Стефан (6 июля 2015 г.). «Сканирующая квантово-точечная микроскопия». Письма о физических отзывах . 115 (2): 026101. arXiv : 1503.07738 . Бибкод : 2015PhRvL.115b6101W. doi : 10.1103/PhysRevLett.115.026101. ISSN  0031-9007. PMID  26207484. S2CID  1720328.
  11. ^ Тренклер, Т.; П. Де Вольф, В. Вандерворст, Л. Хеллеманс (1998). «Нанопотенциометрия: измерения локального потенциала в дополнительных металло-оксидно-полупроводниковых транзисторах с использованием атомно-силовой микроскопии». Журнал вакуумной науки и техники Б. 16 (1): 367–372. Бибкод : 1998JVSTB..16..367T. дои : 10.1116/1.589812.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  12. ^ Фриц, М.; М. Радмахер, Н. Петерсен, Х. Э. Гауб (май 1994 г.). «Визуализация и идентификация внутриклеточных структур с помощью силовой модуляционной микроскопии и деградации, вызванной лекарственными средствами». Международная конференция 1993 года по сканирующей туннельной микроскопии . Международная конференция 1993 г. по сканирующей туннельной микроскопии. Том. 12. Пекин, Китай: АВС. стр. 1526–1529. Бибкод : 1994JVSTB..12.1526F. дои : 10.1116/1.587278 . Архивировано из оригинала 05 марта 2016 г. Проверено 5 октября 2009 г.{{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  13. ^ Бинниг, Г.; Х. Рорер, Ч. Гербер, Э. Вейбель (1982). «Туннелирование через управляемый вакуумный зазор». Письма по прикладной физике . 40 (2): 178–180. Бибкод : 1982ApPhL..40..178B. дои : 10.1063/1.92999 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  14. ^ Кайзер, WJ; Л.Д. Белл (1988). «Прямое исследование электронной структуры подповерхностного интерфейса методами баллистической электронной эмиссионной микроскопии». Письма о физических отзывах . 60 (14): 1406–1409. Бибкод : 1988PhRvL..60.1406K. doi :10.1103/PhysRevLett.60.1406. ПМИД  10038030.
  15. ^ Хиггинс, SR; Р. Дж. Хамерс (март 1996 г.). «Морфология и процессы растворения сульфидных минералов металлов, наблюдаемые с помощью электрохимического сканирующего туннельного микроскопа». Журнал вакуумной науки и техники Б. АВС. 14 (2): 1360–1364. Бибкод : 1996JVSTB..14.1360H. дои : 10.1116/1.589098. Архивировано из оригинала 05 марта 2016 г. Проверено 5 октября 2009 г.
  16. ^ Чанг, AM; Х.Д. Халлен, Л. Харриотт, Х.Ф. Хесс, Х.Л. Као, Дж. Кво, Р.Э. Миллер, Р. Вулф, Дж. ван дер Зил, Т.И. Чанг (1992). «Сканирующая зондовая микроскопия Холла». Письма по прикладной физике . 61 (16): 1974–1976. Бибкод : 1992ApPhL..61.1974C. дои : 10.1063/1.108334. S2CID  121741603.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ Визендангер, Р.; М. Боде (25 июля 2001 г.). «Магнетизм нано- и атомного масштаба, изученный методами спин-поляризованной сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии». Твердотельные коммуникации . 119 (4–5): 341–355. Бибкод : 2001SSCom.119..341W. дои : 10.1016/S0038-1098(01)00103-X. ISSN  0038-1098.
  18. ^ Реддик, RC; Р. Дж. Вармак; Т.Л. Феррелл (1 января 1989 г.). «Новая форма сканирующей оптической микроскопии». Физический обзор B . 39 (1): 767–770. Бибкод : 1989PhRvB..39..767R. doi : 10.1103/PhysRevB.39.767. ПМИД  9947227.
  19. ^ Vorlesungsskript Physikalische Elektronik und Messtechnik (на немецком языке)
  20. ^ Волкер Роуз, Джон В. Фриланд, Стивен К. Страйффер (2011). «Новые возможности на стыке рентгеновских лучей и сканирующей туннельной микроскопии». В Калинине Сергей Владимирович; Груверман, Алексей (ред.). Сканирующая зондовая микроскопия функциональных материалов: наномасштабная визуализация и спектроскопия (1-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. стр. 405–431. дои : 10.1007/978-1-4419-7167-8_14. ISBN 978-1-4419-6567-7.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  21. ^ Хансма, ПК; Б. Дрейк, О Марти, С. А. Гулд, CB Пратер (3 февраля 1989 г.). «Сканирующий микроскоп ионной проводимости». Наука . 243 (4891): 641–643. Бибкод : 1989Sci...243..641H. дои : 10.1126/science.2464851. ПМИД  2464851.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  22. ^ Мейстер, Андре; Габи, Майкл; Бер, Паскаль; Студер, Филипп; Ворёш, Янош; Нидерманн, Филипп; Биттерли, Джоанна; Полесель-Марис, Жером; Лили, Марта; Хайнцельманн, Гарри; Замбелли, Томазо (2009). «FluidFM: объединение атомно-силовой микроскопии и нанофлюидики в универсальной системе доставки жидкости для одноклеточных приложений и за ее пределами». Нано-буквы . 9 (6): 2501–2507. Бибкод : 2009NanoL...9.2501M. дои : 10.1021/nl901384x. ISSN  1530-6984. ПМИД  19453133.
  23. ^ Сидлс, Дж. А.; Дж. Л. Гарбини, К. Дж. Бруланд, Д. Ругар, О. Цюгер, С. Хоэн, К. С. Яннони (1995). «Магнитно-резонансная силовая микроскопия». Обзоры современной физики . 67 (1): 249–265. Бибкод : 1995РвМП...67..249С. doi : 10.1103/RevModPhys.67.249.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  24. ^ БЕТЦИГ, Э.; Дж. К. ТРАУТМАН, Т. Д. ХАРРИС, Дж. С. ВАЙНЕР, Р. Л. КОСТЕЛАК (22 марта 1991 г.). «Преодолевая дифракционный барьер: оптическая микроскопия в нанометрическом масштабе». Наука . 251 (5000): 1468–1470. Бибкод : 1991Sci...251.1468B. дои : 10.1126/science.251.5000.1468. PMID  17779440. S2CID  6906302.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  25. ^ Хут, Флориан; Говядинов, Александр; Амари, Серджиу; Нуансинг, Виват; Кейльманн, Фриц; Хилленбранд, Райнер (8 августа 2012 г.). «Нано-FTIR-абсорбционная спектроскопия молекулярных отпечатков пальцев с пространственным разрешением 20 нм». Нано-буквы . 12 (8): 3973–3978. Бибкод : 2012NanoL..12.3973H. дои : 10.1021/nl301159v. ISSN  1530-6984. ПМИД  22703339.
  26. ^ Де Вольф, П.; Дж. Снауверт, Т. Кларисс, В. Вандерворст, Л. Хеллеманс (1995). «Характеристика точечного контакта с кремнием с использованием измерений сопротивления с помощью силовой микроскопии». Письма по прикладной физике . 66 (12): 1530–1532. Бибкод : 1995ApPhL..66.1530D. дои : 10.1063/1.113636.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  27. ^ Сюй, JB; К. Лаугер, К. Дрансфельд, И. Х. Уилсон (1994). «Термические датчики для исследования теплопереноса в сканирующей зондовой микроскопии». Обзор научных инструментов . 65 (7): 2262–2266. Бибкод : 1994RScI...65.2262X. дои : 10.1063/1.1145225.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  28. ^ Йоу, MJ; Фултон Т.А. и Хесс Х.Ф. и Уиллетт Р.Л. и Данклебергер Л.Н. и Чичестер Р.Дж. и Пфайффер Л.Н. и Уэст К.В. (25 апреля 1997 г.). «Сканирующая одноэлектронная транзисторная микроскопия: визуализация отдельных зарядов». Наука . 276 (5312): 579–582. дои : 10.1126/science.276.5312.579. ПМИД  9110974.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  29. ^ Исфахани, Эхсан Наср; Эшгинежад, Ахмад; Оу, Юн; Чжао, Цзиньцзинь; Адлер, Стюарт; Ли, Цзянъюй (ноябрь 2017 г.). «Сканирующая термоионная микроскопия: исследование наноразмерной электрохимии с помощью колебаний, вызванных тепловым напряжением». Микроскопия сегодня . 25 (6): 12–19. arXiv : 1703.06184 . дои : 10.1017/s1551929517001043. ISSN  1551-9295. S2CID  119463679.
  30. ^ Эшгинежад, Ахмадреза; Наср Исфахани, Эхсан; Ван, Пейци; Се, Шухун; Гири, Тимоти К.; Адлер, Стюарт Б.; Ли, Цзянъюй (28 мая 2016 г.). «Сканирующая термоионная микроскопия для исследования локальной электрохимии на наноуровне». Журнал прикладной физики . 119 (20): 205110. Бибкод : 2016JAP...119t5110E. дои : 10.1063/1.4949473. ISSN  0021-8979. S2CID  7415218.
  31. ^ Хон, Сынбум; Тонг, Шэн; Пак, Вун Ик; Хиранага, Ёсиоми; Чо, Ясуо; Рулофс, Андреас (06 мая 2014 г.). «Микроскопия градиента заряда». Труды Национальной академии наук . 111 (18): 6566–6569. Бибкод : 2014PNAS..111.6566H. дои : 10.1073/pnas.1324178111 . ISSN  0027-8424. ПМК 4020115 . ПМИД  24760831. 
  32. ^ Наср Исфахани, Эхсан; Лю, Сяоянь; Ли, Цзянъюй (2017). «Визуализация сегнетоэлектрических доменов с помощью микроскопии градиента заряда, дополненная анализом главных компонентов». Журнал Материаломики . 3 (4): 280–285. arXiv : 1706.02345 . дои : 10.1016/j.jmat.2017.07.001. S2CID  118953680.
  33. ^ Парк, Хонсик; Юнг, Джухван; Мин, Донг-Ки; Ким, Сунгдон; Хон, Сынбум; Шин, Хёнджон (2 марта 2004 г.). «Сканирующая резистивная зондовая микроскопия: визуализация сегнетоэлектрических доменов». Письма по прикладной физике . 84 (10): 1734–1736. Бибкод : 2004ApPhL..84.1734P. дои : 10.1063/1.1667266. ISSN  0003-6951.
  34. ^ Боттомли, Лоуренс А. (19 мая 1998 г.). «Сканирующая зондовая микроскопия». Аналитическая химия . 70 (12): 425–476. дои : 10.1021/a1980011o.
  35. ^ Акамине, С.; Барретт, Колорадо; Quate, CF (1990). «Улучшенные изображения атомно-силового микроскопа с использованием микрокантилеверов с острыми кончиками». Письма по прикладной физике . 57 (3): 316. Бибкод : 1990ApPhL..57..316A. дои : 10.1063/1.103677.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

В Wikibooks есть книга на тему: Nanowiki.