Методы сканирующей зондовой микроскопии. Электросиловая микроскопия. Тема 4

электрическое взаимодействие между зондом и образцом. Рассмотрим систему, состоящую из зондового датчика, у которого зонд имеет проводящее покрытие, и образца, представляющего собой тонкий слой материала на хорошо проводящей подложке.

Рис. 84. Схема измерения электрического взаимодействия зонда с образцом

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

Система зонд – образец обладает некоторой электрической емкостью С, так что энергия такой системы может быть представлена в следующем виде:

Тогда электрическая сила взаимодействия зонда и образца равна

А ее Z-компонента может быть представлена в виде

последнего выражения следует, что сила взаимодействия имеет три
составляющие:

постоянную составляющую

составляющую на частоте 2 ω

составляющую на частоте ω

Детектирование амплитуды колебаний кантилевера на частоте 2ω позволяет
исследовать распределение вдоль поверхности величины C' z (x , y )
производной от емкости по координате z (так называемая емкостная микроскопия [39]). С помощью этого метода можно изучать локальные диэлектрические свойства приповерхностных слоев образцов. Для получения высокого разрешения в данной методике необходимо, чтобы электрическая сила в системе зондовый датчик - образец определялась, в
основном, взаимодействием между зондом и поверхностью.

может быть представлена в виде

где α – постоянная величина, R – характерный радиус закругления кончика
зонда, h –расстояние зонд-поверхность (или толщина пленки диэлектрика на проводящей подложке). С другой стороны сила, действующая на кантилевер со стороны образца:

где α – постоянная величина, L - длина кантилевера, W - ширина кантилевера, H - расстояние до поверхности (определяется размерами зонда). Из условия F PS > F CS следует:

Отсюда для типичных значений параметров зондовых датчиков (L ~ 100 мкм, W ~ 30 мкм, H ~ 30 мкм, R ~ 10 нм) можно получить следующую оценку: h < 10 нм.

применяется двухпроходная методика. В каждой строке сканирования производится следующая процедура. На первом проходе с помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте, близкой к резонансной частоте ω0, и снимается АСМ изображение рельефа в "полуконтактном" режиме. Затем зондовый датчик отводится от поверхности на расстояние zo, между зондом и образцом подается переменное (на частоте ω = ω0 )
напряжение, и осуществляется повторное сканирование (рис. 85). На втором проходе датчик движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца. Поскольку в процессе сканирования локальное расстояние между зондовым датчиком и поверхностью в каждой точке постоянно, изменения амплитуды колебаний кантилевера на частоте 2ω будут связаны с изменением емкости системы зонд-образец вследствие изменения диэлектрических свойств образца.

Рис. 85. Двух-проходная методика ЭСМ