1.3. Електросилова мікроскопія

Метод електросилової мікроскопії використовує електричну взаємодію між зразком та зондом, який повинен мати провідне покриття. Принципова схема методу наведена на рис. 1.4. Між зондом та поверхнею має бути прикладена постійна напруга U₀ та змінна напруга U₁sin(ωt).

Рис. 1.4. Принципова схема методу електросилової мікроскопії.

Якщо досліджуваним зразком є напівпровідник або діелектрик, то на поверхні зразка існує розподіл потенціалу φ(x,y). В такому випадку різницю потенціалів між зондом та поверхнею можна подати у вигляді:

U = U₀ + U₁sin(ωt) – φ(x,y) (6)

Система зонд - зразок характеризується ємністю C, а енергія такої системи може бути подана як:

(7)

В такому випадку сила взаємодії є:

(8)

Її z - складова може бути подана у вигляді:

(9)

Таким чином, z – складова сили має три складові:

(10)

(11)

(12)

Вимірювання амплітуди коливань на частоті дозволяє дослідити розподіл величини вздовж поверхні. Метод отримав назву скануюча ємнісна мікроскопія, який дозволяє досліджувати локальні діелектричні властивості приповерхневих шарів.

Величина залежить від відстані між зондом та поверхнею, тому при дослідженнях використовують двопрохідну методику. При першому проході досліджується рельєф поверхні. Після цього зонд підводиться на деяку відстань z₀, між зондом і зразком прикладається змінна напруга з частотою і здійснюється повторне сканування. При другому проході зонд рухається вздовж траєкторії, яка повторює рельєф поверхні зразка, тобто відстань між зондом та поверхнею є сталою. При цьому, зміна амплітуди коливань на частоті буде зумовлена локальною зміною ємності системи зонд – поверхня внаслідок зміни діелектричних властивостей зразка.

Вимірювання сигналу на частоті ω дозволяє дослідити розподіл поверхневого потенціала (метод зонда Кельвіна). Метод є двопрохідним і ґрунтується на тому, що при другому проході в кожній точці реалізується наступна процедура. А саме, підбирається величина постійної складової прикладеної напруги U₀ таким чином, що амплітуда коливань зонда на частоті стає рівною нулеві. Як випливає з рівняння (11) це відбувається якщо

(13)

в даній точці поверхні, що і дозволяє виміряти розподіл поверхневого потенціалу.

Порядок виконання роботи

2.1. Будова мікроскопу Integra

Мікроскоп атомних сил Integra Prima Basic (NT-MDT) призначений для аналізу поверхонь нанорозмірних об’єктів, розміщених на твердій підкладці. Типовими об’єктами досліджень є: діелектрики, метали, напівпровідники, поверхні CD/DWD дисків, молекули ДНК, полімери, тонкі органічні плівки та ін.

Вимірювання проводяться в атмосферному оточенні при кімнатній температурі. Роздільна здатність при вимірюванні висот нанооб’єктів складає 0.05 нм. При вимірах поздовжніх розмірів величина роздільної здатності складає 10 нм. Максимальний розмір зображення складає 100х100 мкм (типовим є зображення 1х1 мкм).

На рис. 2.1 наведено основні складові приладу: базовий блок, основа, сканер, вимірювальна головка, захисний ковпак.

Рис. 2.1. Основні складові мікроскопу атомний сил.

Загальний вигляд базового блоку наведено на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Основні елементи базового блоку. 1 – змінна основа, 2 – механізм підведення зразка, 3 – датчик температури та вологості, 4 – дисплей, 5 – штуцери.

Прилад оснащений мікроскопом, який дозволяє отримати оптичні зображення в цифровому вигляді з роздільною здатністю 1 мкм.

Вимоги щодо підготовки зразків є такими.

• максимальні розміри зразка (підкладки) з нанооб’єктами:

ширина – 10 мм;

довжина – 40 мм;

висота – 10 мм.

• шорсткість поверхні не повинна перевищувати 1 мкм;

• нанооб’єкти мають бути зафіксовані на підкладці;

• вага зразка не повинна перевищувати 50 г.

Мікроскоп дозволяє також проводити вимірювання контактної різниці потенціалів, ємності, намагніченості, вольт-амперних характеристик твердих тіл з нанорозмірної точністю.