СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение ...................................................5
2. Обзор различных подходов к описанию процесса
сканирования в атом но-силовой микроскопии..............20
2.1. Режимы сканирования, используемые в атомно-силовой микроскопии ...............................................20
2.2. Физические основы расчета атомных сил, действующих между острием и поверхностью.........................26
2.3. Различные подходы к моделированию сканирования в неконтактной моде ...................................31
2.4. Моделирование сканирования в контактной моде...........36
2.5. Учет атомной релаксации ...............................40
2.6. Основные подходы к описанию атомного трения ...........45
3. Аддитивная теория атомных сил в атомно-силовой
микроскопии ................................................51
3.1. Описание силового взаимодействия при сканировании над ступенчатой поверхностью.............................51
3.2. Общий подход к моделированию процесса сканирования вдоль поверхности постоянной силы в контактной моде 60
3.3. Эффект разрыва непрерывности поверхностей постоянной силы ................................................66
3.4. Влияние подвижности атомов решетки на разрывы ' поверхностей постоянной силы.........................74
3.5. Моделирование кластерного острия, обеспечивающего
2
непрерывность процесса сканирования в контактной
моде...................................................78
3.6. Общий подход к описанию сканирования в контактной
моде на постоянной высоте .............................84
4. Атомно-силовая микроскопия поверхностной структуры
сверхпроводящих керамик ...................................89
4.1. Технология получения висмутовой керамики с высокотемпературными сверхпроводящими
свойствами.............................................89
4.2. Моделирование поверхностей постоянной силы при сканировании над поверхностью керамики...............94
4.3. Диагностика конфигураций кристаллитов из сравнения экспериментальных данных с результатами расчета ......................................98
5. Расчет характеристик процесса сканирования
в контактной моде над бездефектной
кристаллической поверхностью...............................108
5.1. Поверхности постоянной силы..........................108
5.2. Горизонтальные составляющие силы при сканировании вдоль поверхности постоянной силы...................121
5.3. Вертикальная и горизонтальная составляющие силы при сканировании на постоянной высоте...................128
5.4. Режим сканирования при фиксированной проекции силы
на произвольное направление ..........................135
5.5. Моделирование эффективной потенциальной энергии взаимодействия острия и поверхности при различных режимах сканирования......................................143
5.6. Оценка коэффициента атомного трения .................153
3
6. Исследование возможностей метода атомно-силовой микроскопии для диагностики поверхностных точечных дефектов ........................................158
6.1. Моделирование процесса сканирования над вакансией ---158
6.2. Сканирование над дивакансией.........................171
6.3. Поверхности постоянной силы и горизонтальные составляющие силы в случае межузельного атома.............176
7. О возможности использования атомно-силового микроскопа для определения энергетических характеристик дефектов ...................................185
7.1. Траектории движения атомов образца и острия при сканировании без модификации исследуемой
поверхности...........................................185
7.2. Моделирование процесса сканирования с модификацией исследуемой поверхности ............................195
7.3. Различные типы модификации поверхности
при сканировании над вакансией .......................200
7.4. Оценка энергии активации поверхностной миграции вакансии по данным атомно-силовой микроскопии ............207
Заключение .................................................210
Литература..................................................222
4
1 Введение
Метод атомно-силовой микроскопии поверхности, предложенный впервые Биннигом, Куайтом и Гербером в 1986 г. [1], очень быстро нашел самое широкое применение благодаря своей универсальности, рекордной разрешающей способности и информативности получаемых с его помощью результатов. Атомно-силовой микроскоп (АСМ) использует принцип действия предложенного ранее Биннигом и Роре-ром сканирующего туннельного микроскопа [2], однако в АСМ сканирование острия над исследуемой поверхностью производится не При постоянном значении туннельного тока, а при постоянной вертикальной составляющей силы, или, короче, постоянной силе (различные режимы сканирования обсуждаются в параграфе 2.1). Этим обусловлена большая универсальность АСМ по сравнению с туннельным микроскопом, который может применяться только при изучении металлических поверхностей. В отличие от туннельного, АСМ равным образом пригоден при изучении поверхностей металлов, полупроводников и диэлектриков.
Как известно, уникапьиой особенностью туннельного микроскопа является сверхвысокое разрешение, вплоть до атомного. Согласно результатам проведенных исследований (см. параграф 2.1 и цитируе-
5
мую там литературу), при определенных условиях с помощью А СМ также может быть достигнуто атомное разрешение. В то же время, АСМ-ИЗОбражения более непосредственно отражают топографию исследуемой поверхности, чем се образы, получаемые при использовании туннельного микроскопа. Все перечисленное как раз и обуславливает чрезвычайно широкое применение метода атомно-силовой микроскопии при решении самых различных проблем от исследований микроструктуры, электрических и магнитных свойств поверхностей металлов, полупроводников и диэлектриков до изучения биологических обьектов, тонких пленок и в нанотехнологии.
Адекватная интерпретация изображений, получаемых с помощью А СМ, в значительной мере облегчается при использовании соответствующих теоретических методов. Развитие теории силового взаимодействия между острием АСМ и образцом (включая как случай совершенной поверхности последнего, так и при наличии на пей микроструктур и дефектов различных типов) позволяет рассчитать поверхности вертикальной составляющей силы при сканировании, найти значения горизонтальных сил, коэффициента трения и другие характеристики, интересные при использовании АСМ в том или ином режиме. Сравнение экспериментальных АСМ-изображений с результатами расчетов позволяет сделать наиболее обоснованные заключения о фактическом характере исследуемой поверхности образца, решить диагностические и интерпретационные задачи. Именно поэтому уже вскоре после появления первой публикации создателей АСМ [1] стали появляться работы, содержащие обсуждение тех или иных теоретических аспектов данного метода (см. литературу, цитируемую в главе 2). Отметим, что в России метод атомно-силовой микроскопии начал развиваться в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова в лаборатории профессора В.И. Панова (первые
6
вые экспериментальные результаты были опубликованы в работе [3], а в сравнении с теорией — в работе [4]). В дальнейшем большой вклад в его развитие и создание инструментальной базы был внесен Неволиным В.К.(МГИЕТ), Ямннеким И.В.(Химфак МГУ), Голубком А.О.(ИАП РАН), Быковым В.А.(НИИФП), Тодуа П.А.(НИЦПВ) и др.
В диссертации развивается теория силового взаимодействия между острием А СМ и поверхностью образца как в контактной (режим сил отталкивания), так и в неконтактной (режим сил притяжения) модах. Полученные результаты используются при построении моделей острия, позволяющих описать непрерывный режим сканирования над поверхностью кристаллической решетки с учетом ее атомной структуры. Большое внимание уделяется расчету поверхностей постоянной силы при сканировании над поверхностью сверхпроводящей керамики и диагностике конфигураций кристаллитов методом атомно-силовой микроскопии. Найдены типичные поверхности постоянной вертикальной составляющей силы, профили горизонтальных составляющих силы и проведена оценка коэффициента атомного трения при сканировании в контактной моде. Развитые теоретические методы применены при исследовании возможностей метода атомносиловой микроскопии для диагностики точечных дефектов на поверхности и для определения энергетических характеристик дефектов.
Принимая во внимание охарактеризованный выше широкий круг проблем, при решении которых применяется метод атомно-силовой микроскопии, а также решающую роль теоретических подходов в адекватной интерпретации А СМ - изобр ажений, сформулированная выше тема диссертации представляется весьма актуальной.
За годы, прошедшие после создаппя АСМ, появилось большое число работ, посвященных описанию процесса сканирования острия над поверхностью образца и расчету действующих между ними сил (см.
7
обзор литературы по данному вопросу в главе 2). Были предложены как моноатомные, так и многоатомные модели острия АСМ. Атомы поверхностных слоев образца описывались как в приближении жестко фиксированных силовых центров, так и с учетом их смешений от равновесных положений в процессе сканирования. В последнем случае для описания атомной релаксации применялись как методы молекулярной динамики, так и более простые подходы, основанные на выборе определенного представления для энергии упругих колебании решетки и потенциала взаимодействия острия и поверхности. Важно подчеркнуть, что предлагаемые при этом теоретические подходы были довольно разрозненными и часто рассматривались лишь в связи с тем или иным конкретным экспериментом для интерпретации его результатов.
Целью настоящей диссертации, основанной на работах автора, опубликованных в 1991-2001 годах, является последовательное применение аддитивной теории атомных сил в атомно-силовой микроскопии для расчета силовых поверхностей при сканировании над различными образцами в различных режимах, исследования атомного трения, диагностики точечных поверхностных дефектов и изучения возможности определения их энергетических характеристик.
В работах, положенных в основу диссертации, содержится применение аддитивной теории атомных сил к разнообразным задачам атомно-силовой микроскопии. С помощью этой теории впервые получен вывод о наличии разрывов непрерывности на поверхностях постоянной силы в контак тной моде при достаточно большой силе сканирования. Условия возникновения и свойства указанных разрывов были детально изучены как в приближении фиксированных атомов решетки, так и с учетом атомной релаксации. Предсказанный в диссертации эффект разрывности поверхностей постоянной силы в кон-
8
тактной моде находит экспериментальное подтверждение в работах различных авторов (см. главу 3). В диссертации предложена также кластерная модель острия, обеспечивающая непрерывность сканирования при любых значениях вертикальной составляющей силы и над идеальной решеткой, и над решеткой, содержащей поверхностные дефекты.
В другом цикле положенных в основу диссертации работ методы атомно-силовой микроскопии впервые применены для исследования поверхностной структуры сверхпроводящих при высокой температуре висмутовых керамик. Ьлагодаря сравнению экспериментальных данных с результатами расчета поверхностей постоянной силы оказалось возможным произвести диагностику конфигураций кристаллитов в зависимости от используемого технологического процесса.
В ряде работ автора, результаты которых включены в диссертацию, не только обосновывается возможность регистрации поверхностных точечных дефектов с помощью АСМ, но и впервые предлагается возможность прямого определения энергетических характеристик дефектов данным методом. На примере поверхностной вакансии в решетке плотной упаковки детально показано, как методом атомно-силовой микроскопии может быть определена энергия активации ее миграции.
Изучаемые в диссертации проблемы формулируются в рамках фундаментальных квантовомехапических представлений о природе межатомных сил, и для их решения последовательно применяются строгие математические методы, включая моделирование на ЭВМ. Там. где это возможно, полученные численные данные проверены сравнением с результатами упрощенных модельных расчетов. Используемые приближенные методы расчета сил Ван-дср-Ваальса и обменного квантовомеханического взаимодействия апробированы в большом
9
числе работ разных авторов при решении самых разнообразных задач. Все это подтверждает достоверность полученных в диссертации результатов.
Как уже отмечалось выше, АСМ находит широкое применение при решении как фундаментальных, так и прикладных задач. Это определяет теоретическую и практическую значимость результатов, полученных в диссертации. Так, развитая в диссертации аддитивная теория атомных сил в приложении к атомно-силовой микроскопии позволяет решать широкий круг задач по интерпретации АСМ-изображений. Выведенные формулы для поверхностей постоянной силы при сканировании над ступенчатой поверхностью нашли применение в актуальных работах по оптимизации технологии получения висмутовых керамик для высокотемпературной сверхпроводимости. Обнаруженный аффект разрыва непрерывности поверхностей постоянной силы в контактной моде имеет большое общетеоретическое значение для понимания физических основ работы АСМ. Использованный подход к изучению атомного трения может применяться при решении широкого круга прикладных задач. Разработанные методы диагностики точечных дефектов на поверхности, а также впервые предложенная возможность непосредственного определения энергетических характеристик дефектов методом атомно-силовой микроскопии открывает новые перспективы для материаловедения.
Основное содержание работы распределяется но главам следующим образом.
Глава 2, следующая за настоящим Введением, представляет собой обзор имеющихся в литературе различных подходов к теоретическому описанию процесса сканирования в атомно-силовой микроскопии. В параграфе 2.1 рассмотрены различные режимы сканирования (контактная мода, режим сил притяжения, сканирование с постоянной
10
силой и на постоянной высоте и др.), а в параграфе 2.2 обсуждаются физические основы расчета сил, действующих между острием и поверхностью. В главе 2 дается краткий перечень результатов, полученных различными авторами при моделировании сканирования острия ЛСМ в контактной (параграф 2.4) и неконтактной (параграф 2.3) модах, как в модели неподвижных атомов, так и (в коптактной моле) с учетом атомной релаксации (параграф 2.5). В параграфе 2.6 специальное внимание уделено основным подходам к описанию атомного трения.
В главе 3, которая является основой всего последующего изложения. приведены основные положения аддитивной теории атомных сил в приложении к атомно-силовой микроскопии. Параграф 3.1 посвящен выводу зависимости от расстояния силы, действующей между острием и образцом, поверхность которого имеет ступенчатую структуру. Сила Ван-дер-Ваальса найдена с помощью аддитивного суммирования межатомных потенциалов с последующей нормировкой полученной константы взаимодействия, которая позволяет приближенно учесть эффекты неаддитивности. Обменное взаимодействие (там, где оно существенно) учитывается посредством отталкивающей части потенциала Леннард-Джонса. Общий подход к моделированию процесса сканирования вдоль поверхности постоянной вертикальной составляющей силы в контактной моде с учетом атомной структуры образца и острия изложен в параграфе 3.2. При этом потенциальная энергия острия и образца представлены в виде суммы энергий упругих колебаний атомов кристаллической решетки около их равновесных положений. Это позволяет учесть смещения отдельных атомов от равновесных положений в процессе сканирования, то есть атомную релаксацию. В параграфе 3.3 описан обнаруженный автором эффект разрыва непрерывности поверхностей постоянной силы, соот-
11
ветствующих достаточно большим силам (то есть достаточно малым начальным высотам) сканирования при использовании острия, содержащего эффективно единственный оконечный атом. Физическое объяснение данного эффекта заключается в том. что взаимодействие с предыдущим атомом поверхности перестает поддерживать острие с требуемой силой еще до того, как оно пройдет половину расстояния до следующего атома, принадлежащего поверхности. Указанный эффект позволяет интерпретировать многочисленные случаи утыка-ния острия А СМ в исследуемую поверхность, наблюдавшиеся многими авторами, как “провал” острия в области разрыва. В параграфе
3.3 детально исследованы условия возникновения разрывов на поверхности постоянной силы и определены их границы в зависимости от значения силы сканирования для случаев кубической решетки и решетки плотной упаковки. Влияние смещений атомов решетки в процессе сканирования на обнаруженную в диссертации разрывность поверхностей постоянной силы изучено в параграфе 3.4. Как и следует ожидать нз физических соображений, при учете атомной релаксации разрывы возникают при меньших значениях силы сканирования, чем в приближении фиксированных атомов. Это придает данному эффекту еше ббльшую значимость в связи с необходимостью его учета при выборе режима и параметров сканирования, а также при интерпретации экспериментальных данных. Эффект разрывов имеет место и при использовании острия, содержащего несколько атомов на кончике. В параграфе 3.5 найден минимальный атомный кластер, состоящий из семи атомов (при этом шесть из них находятся в вершинах правильною шестиугольника, а один — на определенном расстоянии под его центром), нахождение которого на кончике острия обеспечивает непрерывность поверхностей постоянной силы при сканировании над кубической решеткой и над решеткой плотной упаковки с щюизволь-
12
ной начальной высотой. Указанная непрерывность сохраняется как при сканировании над идеальной решеткой, так и при наличии поверхностных дефектов — вакансии, дивакансии и других. Поверхности постоянной силы оказываются зависящими от ориентации предложенного кластера относительно кристаллографических осей образца. В соответствии с этим расчеты должны проводиться при определенном угле, задающем ориентацию, если она фиксирована. В противном случае необходимо применять определенную процедуру усреднения. В параграфе З.б основные уравнения аддитивной теории атомных сил модифицированы в применении к режиму сканирования на постоянной высоте.
В главе 4 результаты главы 3 (большей частью, параграфа 3.1) применены при изучении поверхностной структуры сверхпроводящих керамик методом атомно-силовой микроскопии. В параграфе 4.1 приведено краткое изложепие технологии изготовления висмутовой керамики, обладающей высокотемпературными сверхпроводящими свойствами. Параграф 4.2 посвящен моделированию поверхностей постоянной силы при сканировании острия АСМ над поверхностью керамики. При этом используются общие результаты главы 3, относящиеся к сканированию над ступенчатой поверхностью. В параграфе 4.3 экспериментальные поверхности постоянной силы, полученные при сканировании пал разными образцами, сопоставляются с результатами расчета. Это позволяет диагностировать параметры конфигураций кристаллитов, межкристаллитиой фазы, и выбрать оптимальную технологию получения керамики.
Глава 5 содержит результаты расчетов характеристик процесса сканирования в контактной моде над бездефектной поверхностью решетки плотной упаковки, проведенных на осповс формализма, развитого в главе 3. В параграфе 5.1 приведены поверхности постоянной
13
вертикальной составляющей силы, а в параграфе 5.2 — профили горизонтальных составляющих силы. Расчеты проведены как в рамках модели фиксированных атомов, так и с учетом атомной релаксации. Полученные результаты хорошо отражают атомную структуру поверхности и се периодичность с периодом решетки. В параграфе
5.3 как вертикальная, так и горизонтальная силы рассчитаны при сканировании на постоянной высоте. Расчет характеристик процесса сканирования при фиксировано»"! проекции силы на произвольное направление содержится в параграфе 5.4. Показано, что использование данного режима сканирования позволяет добиться увеличения глубины рельефа на АСМ-изображсниях. Последнее может облегчить решение диагностических задач. В параграфе 5.5 проведено моделирование эффективной потенциальной энергии взаимодействия острия и поверхности образца, зависящей от двумерного вектора, как при сканировании вдоль поверхности постоянной силы, так и на постоянной высоте. Параграф 5.6 содержит оценку коэффициента атомного трения, следуя феноменологическому подходу, изложенному в параграфе 2.6, и с использованием результатов расчета профилей горп-зоптальпой составляющей силы.
В главе 6 исследуются возможности использования метода атомно-силовой микроскопии для диагностики точечных дефектов на поверхности. С этой целью рассчитаны поверхности постоянной вертикальной составляющей силы, постоялкой проекции силы на произвольное направление и профили горизонтальной составляющей силы при сканировании в контактной моде над вакансией (параграф 6.1), дивакан-сией (параграф 6.2) и над межузельным атомом (параграф 6.3). Показано, что особенности силовых поверхностей в области расположения точечных дефектов позволяют, с принципиальной точки зрения, диагностировать соответствующий дефект.
14
Глава 7 диссертации посвящена изучению траекторий движения отдельных атомов образца и острия в процессе сканирования как без модификации, так и с модификацией исследуемой поверхности. В последнем случае поставлен вопрос о возможности определения энергетических характеристик поверхностных дефектов но данным атомносиловой микроскопии. В параграфе 7.1 атомные траектории рассчитаны в режиме сканирования без модификации поверхности. Показано, что эти траектории могут обладать весьма сложной формой, хотя малость их характерных размеров по горизонтали и вертикали препятствует их непосредственному наблюдению. Параграф 7.2 содержит видоизменение потенциальной энергии образца, использованной в главе 3, позволяющее описывать неупругие смешения его атомов. Соответствующим образом изменяется и система уравнений, решением которой являются поверхность постоянной силы и координаты атомов образца и острия. В параграфе 7.3 рассчитаны линии постоянной силы и профили горизонтальной составляющей силы при смещении вакансии иод действием острия А СМ. Показано, что в зависимости от значения силы сканирования, возможны три существенно различных режима: без модификации поверхности, с разовой модификацией поверхности, при которой вакансия перемещается на один период решетки в направлении, противоположном паправленшо сканирования, и, наконец, с перманентной модификацией поверхности, при которой происходит захват вакансии острием и ее перемещение по поверхности вслед за ним в процессе сканирования. В параграфе
7.4 показано, что при сканировании острия над вакансией в режиме с модификацией поверхности значение энергии активации процесса миграции вакансии может быть определено но линиям горизонтальной составляющей силы. С использованием типичных значений энергии активации поверхностной миграции вакансии проведены оценки
15
сил сканирования, при которых происходит миграция вакансии под действием острия АСМ.
В Заключении приведена сводка основных результатов, полученных в диссертации, и намечены перспективы дальнейших исследований. Среди них — детальное изучение атомного трения и точечных дефектов на поверхности методом атомно-силовой микроскопии, представляющие особый интерес.
Па защиту выносятся следующие основные положения диссертации.
1. Развиты основы аддитивной теории атомных сил в приложении к атомно-силовой микроскопии. Найдена сила Ван-дср-Ваальса, действующая на острие АСМ при сканировании над ступенчатой поверхностью. С использованием представлеиия полной энергии системы “образец плюс острие” в виде суммы энергий упругих колебаний составляющих их атомов, а также энергии взаимодействия, описываемой отталкивающим вкладом потенциала Лениард-Джонса, получены основные уравнения, определяющие поверхности постоянной вертикальной составляющей силы и профили горизонтальной составляющей силы при сканировании в контактной моде, а также силовые поверхности при сканировании на постоянной высоте.
2. Обнаружен эффект разрыва непрерывности поверхностей постоянной вертикальной составляющей силы при сканировании одноатомного острия в контактной моде над поверхностью кубической решетки и решетки плотной упаковки. Показано, что при учете подвижности атомов решетки уменьшается то минимальное значение силы, начиная с которого поверхность постоянной силы терпит разрыв. Указанный эффект имеет место и для острия с несколькими атомами на кончике. Предложена модель кластерного острия, обеспечивающая непрерывность поверхностей постоянной силы при сканировании как
16
над идеальной решеткой, так и над решеткой с поверхностными дефектами разных типов.
3. Методом атомио-силовой микроскопии исследована микроструктура поверхности сверхпроводящих при высоких температурах висмутовых керамик. Показано, что в зависимости от технологии их изготовления меняется характер расположения составляющих их кристаллитов, что отражается па АСМ-изображениях поверхности. Получены расчетные АСМ-изображения поверхности керамик. Проведено сравнение этих изображений с экспериментальными, позволившее решить диагностическую задачу по установлению характерных размеров кристаллитов, их взаимной ориентации, перепадов высот, а также параметров межкрпсталлптной фазы.
4. Выполиепо численное решение системы уравнений, определяющей поверхности постоянной вертикальной составляющей силы и профили горизонтальных составляющих силы при сканировании острия АСМ в контактной моде над идеальной кристаллической поверхностью плотной упаковки. Определен сравнительный вклад эффектов атомной релаксации в результаты расчетов. Рассчитаны вертикальная н горизонтальная составляющие силы при сканировании на постоянной высоте. Получены поверхности постоянной проекции силы на произвольное направление. Показано, что глубина рельефа таких поверхностей больше, чем у обычно используемых поверхностей вертикальной составляющей силы.
5. С использованием результатов, полученных при расчете силовых поверхностей, найдена модельная эффективная потенциальная энергия взаимодействия острия и поверхности, зависящая от двумерного вектора, при различных режимах сканирования. Проведены оценки предельных значений упругих констант острия, выше которых сканирование происходит адиабатически, то есть без треиия, а
17
ниже неадиабатически, то есть с трением. С помощью рассчитанных профилей горизонтальной составляющей силы сделана опенка значения коэффициента атомного трения.
6. Рассчитаны поверхности постоянной вертикальной составляющей силы, ностоянной проекции силы на произвольное направление, а также профили горизонтальной составляющей силы при сканировании острия Л СМ в контактной моде над поверхностной вакансией, дивакансней и межузельным атомом в решетке плотной упаковки. Рассчитаны силовые поверхности при сканировании нал вакансией и дивакансией на постоянной высоте. Показано, что особенности силовых поверхностей могут быть использованы для диагностики указанных точечных дефектов.
7. Проведено численное решение системы уравнений, определяющей траектории движения атомов образца и острия при сканировании в контактной моде в режиме без модификации поверхности решетки плотной унаковки. Исследована зависимость формы атомных траекторий от характера кончика острия и его ориентации. Показано, что в случае кластерного острия от его ориентации существенно зависят те траектории атомных перемещений, которые обусловлены воздействием боковых атомов кластера.
8. Представление потенциальной энергии системы “образец плюс острие” обобщено с учетом возможности неупругих смещений атомов образца, соседних с поверхностной вакансией в решетке плотной упаковки. Рассчитаны линии постоянной вертикальной составляющей силы и профили горизонтальной составляющей силы при сканировании острия А СМ над вакансией в контактной моде. Показано, что в зависимости от силы сканирования и подвижности атомов в отношении неупругих смешений имеют место три [южима сканирования: без модификации поверхности, с одноразовой модификацией (когда
18
острие отбрасывает вакансию на одно межатомное расстояние) и с перманентной модификацией (когда острие “тащит” вакансию за собой). При наличии модификации поверхности острием А СМ оказывается возможным определить значение энергии активации миграции вакансии по известным профилям горизонтальной составляющей силы.
Изложенные в диссертации результаты опубликованы в работах [32]—[37], [62], [102]—[105], [ИЗ], [116]-[118], [128, 129, 152, 166, 167], [169]—[171], [178]—[181], [187].
19
2 Обзор различных подходов к описанию процесса сканирования в атомно-силовой микроскопии
2.1 Режимы сканирования, используемые в атомно-силовой микроскопии
Метод атомно-силовой микроскопии с самого момента своего появления в 1986 г. [1] привлек значительное внимание присущими ему уникальными возможностями при изучении и модификации поверхности, позволяющими, в частности, получить атомное разрешение [5]-[7]. Многочисленные исследования, проведенные за последние годы, привели как к использованию различных экспериментальных режимов сканирования (см., например, монографии [8, 9] и обзоры [10]— [13]), так и к разработке соответствующих теоретических моделей, позволяющих адекватно описать процесс сканирования.
Режимы сканирования различаются, в первую очередь, по типу доминирующей силы, действующей между острием атомно-силового микроскопа (АСМ) и исследуемой поверхностью. Поскольку на разных расстояниях между острием и поверхностью доминируют силы разной природы, можно также сказать, что различные режимы ска-
20
нирования выделяются в зависимости от этого расстояния. При этом, прежде всего, следует выделить контактный и неконтактный режимы (моды) сканирования [8. 9). Рассмотрим сначала первый из них.
Контактная мода соответствует сканированию острия А СМ на расстоянии нескольких ангстрем от исследуемой поверхности, когда взаимодействие между острием и поверхностью определяется преимущественно квантовомеханических! обменным отталкиванием (отсюда и второе название этого режима работы АС'М — режим сил отталкивания). В данном режиме сканирование острия над поверхностью может осуществляться как в обычной воздушной атмосфере, гак и в условиях сверхвысокого вакуума (см., например, [14]—[18]) или в слое жидкости, покрывающем исследуемую поверхность [19]—[22] (эта последняя возможность чаще всего используется при изучении биологических объектов [23]—[26], однако иногда применяется и для того, чтобы защитить исследуемую поверхность от различных примесей, поглощаемых из атмосферного воздуха [27, 28]).
Рассматривая контактную моду, можно, в свою очередь, выделить различные модификации работы АСМ в зависимости от используемой измерительной процедуры (фиксирована вертикальная составляющая силы или проекция силы на ось, направленную под произвольным углом к направлению сканирования, фиксирована высота сканирования, производится измерение горизонтальной составляющей силы и так далее). При фиксированной вертикальной составляющей силы получается так называемая поверхность постоянной силы, соответствующая топографическому АСМ-изображешно исследуемой поверхности. Для получения поверхности постоянной силы сканирование производится при условии, что отклонение кронштейна, на котором закреплено острие, остается постоянным во все время сканирования. Следовательно, остается постоянной и упругая сила, уравновешивающая
21
силу взаимодействия между острием и поверхностью, то есть и эта последняя тоже постоянна в процессе сканирования. Такое постоянство силы достигается за счет системы обратной связи, смещающей образец в вертикальном направлении надлежащим образом с помощью пьезоманипулятора [8, 9]. Обзор результатов, полученных в литературе при моделировании этого режима сканирования, приводится ниже в параграфах 4,5 настоящей главы, а основы подхода к расчету поверхностей постоянной силы, предложенного в данной работе, излагаются в главе 3 (см. параграфы 3.2-3.5).
Другой тип топографических АСМ-изображений в контактной моде получается, если сканирование производится при неизменном (по вертикали) положении образца как целого. При этом система обратной связи не используется, а расстояние между точками рельефа поверхности образца и острием, разумеется, изменяется в процессе сканирования. В результате сила, действующая на острие со стороны образца, а, следовательно, и отклонение кронштейна также изменяются. Эти изменения отклонения кротптейпа регистрируются с помощью соответствующего датчика (см., например, [8, 9, 29)). О работе в таком режиме говорят, что сканирование производится в контактной моде на постоянной высоте. Обзор результатов, полученных в литературе при моделировании данного режима сканирования, также содержится в параграфах 4,5 настоящей главы, а общий подход к вычислению силовых поверхностей, предложенный в данной работе, описан в параграфе 3.6.
Следует отметить, что в последние годы определенное внимание уделяется и так называемому вибрационному режиму сканирования (см., например, [30, 31]), однако рассмотрение этого режима выходит за рамки данной работы.
Топографические ЛСМ-изображсния, полученные в контактной мо-
22
- Київ+380960830922