3.3.9.3. "Електричне поле – атоми, молекули" /9-3/
МАЗ – метод атомного зонда
В основі МАЗ лежить мас-спектрометричний аналіз окремих атомів поверхні матеріалу [2]. Галузі використання такі ж, як і для АІМ. Важливою перевагою методу є можливість хімічної ідентифікації кожного окремого атома або комплексу атомів, що випаровуються за допомогою електричного поля.
Атомним зондом називається комбінований прилад, що поєднує іонний проектор із мас-спектрометром. Поширеним типом мас-спектрометрів є магнітні, які дозволяють визначати відношення заряду до маси q/m для досліджуваного іона за його відхиленням у магнітному полі, а відповідно, провести хімічну ідентифікацію окремого атома.
3.4. Мікрозондова діагностика поверхні
Історично першими зондовими (щуповими) методами були механічні методи, в основі яких лежить сканування поверхні з допомогою твердотільного зонда-голки [6, с.54-55]. Усі такі методи є контактними, адже в процесі сканування поверхні голка механічно взаємодіє з певним елементом поверхні (рис.3.22). За таким принципом побудовані різні типи профілографів і профілометрів. Щупові електромеханічні прилади, призначені для вимірювання шорсткості поверхні, називають профілометрами, а такі ж прилади для запису нерівностей поверхні – профілографами. Точність механічних методів порівняно невисока й можливе пошкодження поверхні голкою.
Рис. 3.22. Дослідження поверхні зондовими методами
У механічних зондових методах коливання голки перетворюються в електричні сигнали за допомогою електромеханічних перетворювачів (індукційних, індуктивних, електронних та п'єзоелектричних).
Першими в електромеханічних щупових приладах використовувались індукційні перетворювачі, у витках котушки яких наводилася електрорушійна сила при переміщенні її в полі постійного магніту під дією вимірювальної голки. В сучасних приладах частіше використовують індуктивні перетворювачі. Принцип дії індуктивного перетворювача полягає в тому, що алмазна голка, яка зондує поверхню, механічно переміщує коромисло. Зміщення коромисла змінює повітряні проміжки між якорем й осердям диференціального трансформатора, що має дві однакові обмотки. Зміна повітряних проміжків змінює магнітний потік у трансформаторі, а отже, і напругу на його виході.
Електронний мегатронний перетворювач являє собою електронну лампу з рухомим електродом (звичайно анодом), на виведеному з корпусу контакті якого знаходиться голка для зондування поверхні.
У деяких конструкціях щупових приладів використані п'єзоелектричні перетворювачі, які перетворюють механічне переміщення в електричну напругу.
Сучасні профілографи мають незначне вимірювальне зусилля (не більше 1 мН), завдяки чому можна вимірювати параметри шорсткості (середню арифметичну висоту нерівностей Ra в межах від 0,04 до 8 мкм на базових довжинах від 0,08 до 2,5 мм) з мінімальними пошкодженнями поверхні.
Одним із найперспективніших методів дослідження поверхні є скануюча зондова мікроскопія (СЗМ). В залежності від того, який із параметрів фізичної взаємодії зонд-поверхня контролюється при вимірюваннях, реалізуються різні типи зондової мікроскопії. На даний час у наукових дослідженнях найчастіше використовуються наступні типи СЗМ:
скануюча тунельна мікроскопія (СТМ);
атомно-силова мікроскопія (АСМ);
електросилова мікроскопія (ЕСМ);
магнітно-силова мікроскопія (МСМ);
ближньопольова оптична мікроскопія (БОМ).
Зазначені прилади здатні працювати в різних середовищах, як у вакуумі, так й на повітрі та в рідинах.
Найпростішим в реалізації, однак високоінформативним є метод СТМ. Більшість досліджень в області фізики поверхні проводяться з використанням сімейства методів СТМ та тунельної спектроскопії. Ідея СТМ була запропонована Расселом Янгом у 1966 р. [R.D.Young] та реалізована його групою в 1971 р. У приладі було реалізоване контрольоване із субнанометровою точністю переміщення зонду відносно поверхні й він дозволяв реєструвати моноатомні сходинки. Однак революційний прорив у розвитку методів зондової мікроскопії започаткований роботами швейцарських вчених Г.Бінніга і Г.Рорера у 1981 р. [27]. Їх геніальність полягає в усвідомленні можливості отримання зображення поверхні із атомарною роздільною здатністю макроскопічним твердотільним зондом. Незважаючи на подібні принципи роботи, різні види СЗМ мають свої, чітко визначені сфери застосування.
Тунельні мікроскопи, які володіють роздільною здатністю порядку 1Å у площині зразка й порядку 0,05Å за нормаллю до поверхні, показують виключно високу чутливість до особливостей поверхні атомарних розмірів [28]. Але оскільки в основі роботи СТМ лежить умова електропровідності, то наявність діелектричних ділянок на поверхні повністю виключає можливість використання цього приладу. Крім того, в результатах вимірювань інформація про рельєф поєднана з інформацією про електричні властивості поверхні (тобто рельєф неоднорідних поверхонь реєструється некоректно).
Силові мікроскопи (зокрема атомно-силові мікроскопи) [29-30] чутливі до об'єктів дещо більших розмірів (порядку 0,5–10 Å), але працюють як на провідних, так і на діелектричних поверхнях і в одному циклі, крім топографії, здатні картографувати й інші властивості поверхні. Наведемо приклади фрагментів рельєфу (рис.3.23) та профілю (рис.3.24) поверхні, отримані методом АСМ.
Рис. 3.23. Фрагменти рельєфу зразків GaAs та SiO2, отримані методом АСМ [28]
Рис. 3.24. Профіль поверхні зразка GaAs, отриманий методом АСМ [6]
У залежності від типу поверхні досліджуваного матеріалу та поставленої задачі АЗМ використовується в наступних режимах роботи:
контактний режим, при якому зонд безпосередньо торкається голкою поверхні зразка й працює на відштовхуванні від поверхні;
безконтактний режим, при якому детектуються амплітуда, частота або фаза коливань зонда, що несуть інформацію про параметри поверхні;
режим періодичного контакту ("тапінг режим"), подібний до безконтактного за винятком того, що зонд коливається (на частоті власного механічного резонансу порядку 120–400 кГц) на такій відстані від поверхні зразка, що у своїй найнижчій точці торкається її [31, 32].
Використання СЗМ особливо ефективне в поєднанні з іншими методами дослідження поверхні, наприклад із Х-променевими [28]. Більш детально методи СЗМ розглянемо далі в наступному розділі.
Часткове уявлення про основні етапи розвитку СЗМ можна одержати з хронологічної таблиці, наведеної в додатку В.