Атомно-силовая микроскопия (AFM)

Атомно-силовая микроскопия (AFM) принадлежит к группе методов сканирующей силовой микроскопии (SFM), которые базируются на измерении различных сил (притяжения, упругого отталкивания, магнитных, электростатических, Ван-дер-Ваальса) между острым наконечником и поверхностью образца. Отображение выполняется измерением силы взаимодействия через отклонение мягкого кантилевера во время сканирования иглы вдоль поверхности. Генерирование сигнала в AFM по существу базируется на силах межатомного отталкивания, которые действуют на чрезвычайно коротких расстояниях. В идеальном случае можно представить, что наконечник заканчивается единственным атомом. Это означает, что прямой контакт наконечника с поверхностью образца ограничен чрезвычайно маленькой областью. Вследствие этого, всегда существует межатомная отталкивающая сила в этой маленькой области контакта из-за перекрытия электронных оболочек атомов подложки и наконечника. Так как на силу межатомного отталкивания влияет полная электронная плотность вокруг атома, эта сила может использоваться для исследования топографии поверхности на атомном уровне. В дополнение к этой силе, действуют также и другие факторы, влияющие на точность измерения, некоторые из которых уже были перечислены. Например, силы притяжения могут привести к разрушению образца иглой зонда. Так что эти воздействия необходимо минимизировать.

Условно методы получения информации о рельефе и свойствах поверхности с помощью АСМ можно разбить на две большие группы – контактные квазистатические и бесконтактные колебательные. В контактных квазистатических методиках остриё зонда находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью, при этом силы притяжения и отталкивания, действующие со стороны образца, уравновешиваются силой упругости консоли. При работе АСМ в таких режимах используются кантилеверы с относительно малыми коэффициентами жесткости, что позволяет обеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерного воздействия зонда на образец. Недостаток контактных АСМ методик - непосредственное механическое взаимодействие зонда с поверхностью, что часто приводит к поломке зондов и разрушению поверхности образцов в процессе сканирования. Кроме того, контактные методики практически не пригодны для исследования образцов, обладающих малой механической жесткостью.

Решить эту проблему можно, используя колебательные АСМ методики, основанные на регистрации параметров взаимодействия колеблющегося кантилевера с поверхностью. Кантилевер с наконечником работает около его частоты резонанса посредством пьезогенератора. В результате, между наконечником и образцом происходит только неустойчивый контакт. Топографическая информация восстанавливается из сигнала амплитуды колеблющегося кантилевера. Преимущество этой техники состоит в том, что, из-за неустойчивого контакта, можно устранить влияние латеральных сил. Таким образом, не происходит царапание мягких образцов или удаления свободно связанных поверхностных частиц или пленок.

В бесконтактном режиме кантилевер совершает вынужденные колебания с малой амплитудой порядка 1 нм. При приближении зонда к поверхности на кантилевер начинает действовать дополнительная сила со стороны образца PS F . При ван-дер-ваальсовом взаимодействии это соответствует области расстояний между зондом и образцом, где действует сила притяжения.

Иглы и кантилеверы должны удовлетворять ряду требований. Наконечник должен быть очень острым с малым радиусом закругления и высоким аспектным отношением, чтобы исследовать малейшие детали поверхности. Кроме того, частота резонанса должна быть высока, чтобы минимизировать шум от низкочастотных колебаний окружающей среды. Это достигается изготовлением очень маленьких кантилеверов. на сегодняшний день консоли с константами силы меньше чем 0.1 н*м^-1 и резонансными частотами до нескольких 100 кГц могут быть изготовлены литографическими многошаговыми процессами, обычными в технологии микроэлектроники. Длина кантилеверов обычно составляет 100-200 мкм. Полный размер наконечника порядка 10 мкм и радиус закругления 5-10 нм.

Сила, действующая на наконечник, определяется измерением отклонения консоли. Существует большое количество методов померить это отклонение (измерение туннельного тока, интерферометрия, измерение емкости и др.). Однако основной способ основан на методике оптического затвора. В этой методике лазерный луч фокусируется и позиционируется на обратной стороне кантилевера. Отраженный лазерный луч направляется на двухсигментный фотодиод. По мере отклонения кантилевера изменяется положение лазерного луча на фотодиоде, т.е. соотношение между сигналами на двух сегментах. Данный метод чувствителен к перемещению кантилевера с разрешающей способностью 0.1 нм.

При выявлении сравнительно больших геометрических деталей качество изображений определяется геометрией острия. Критическими являются следующие параметры: радиус закругления конца иглы r и аспектное отношение A_r = L/W (отношение высоты зонда к диаметру основания).

Рис. 2. Искажение изображения профиля поверхности вследствие конечной величины отношения аспекта и радиуса закругления острия.

В отличие от многих других поверхностных аналитических методов, например сканирующей электронной микроскопии, AFM не требует вакуума. Таким образом, ее можно использовать для прямого наблюдения границ раздела твердого тела с газом и жидкостью. Последний вариант открывает возможность защищать чувствительные поверхности инертной жидкостью.

Большой аналитический потенциал AFM базируется на ряде свойств. Можно получать изображения больших областей (более 100 мкм²) и изображения с атомным разрешением. На рис. 3A представлено в качестве примера изображение тонкой пленки золота на кремнии, которое дает информацию о размере и распределении отдельных кристаллитов, которые имеют примерно 100 нм в диаметре.

Другое важное преимущество AFM заключается в том, что она дает непосредственную информацию об объекте, которая делает методику ценным метрологическим инструментом. На рис. 4A в качестве примера представлено изображение AFM структурированного фоторезиста на поверхности кремния. На рис. 4B приведен профиль поперечного сечения фоторезиста, приведенного на рис. 4A. Этот пример демонстрирует, что AFM данные могут быть удобно проанализированы программным обеспечением для измерения непосредственно высоты особенностей на поверхности.

Следует отметить, что методом атомно-силовой микроскопии могут исследоваться не только проводящие, но и диэлектрические образцы, для которых не требуется покрытия проводящей пленкой.

Важной является возможность выполнять исследования в жидкости и на воздухе. Это позволяет непосредственно исследовать поверхностные процессы, например коррозию, кристаллический рост, осаждение тонких пленок, электрохимические процессы.

Следует упомянуть, что недостатком AFM является невозможность получать химическую информацию и специфические свойства материалов непосредственно из изображения поверхности. Однако были разработаны несколько разновидностей атомно-силовой микроскопии, которые позволяют получать некоторую информацию в дополнение к топографии.Микроскопия силы трения (Friction force microscopy) или микроскопия поперечной силы (lateral force microscopy) измеряет трение между наконечником и поверхностью образца. Это представляет специфический интерес для исследований в области трибологии (науки о трении). Тот же принцип используется в микроскопии химической силы (chemical force microscopy).

Рис. 3. (A) AFM изображение тонкой пленки золота на кремнии. Размер изображения: 1 мкм x 1 мкм, масштаб по глубине: 30 нм от черного до белого. (B) Атомное разрешение отдельного кристаллита. Размер изображения: 4 нм x 4 нм, масштаб по глубине: 1 нм от черного до белого.

Рис. 4. (A) AFM изображение пленки фоторезиста на кремнии, структурированного ионной литографией. (B) Профиль поперечного сечения, полученный из изображения AFM (A).

В этом методе наконечник зонда химически изменяют, делая чувствительным к различным химическим составам на поверхности. Этим способом контраст изображения достигается благодаря изменению силы адгезии между наконечником зонда и образцом. В микроскопии модуля Юнга (Young's modulus microscopy) различия в упругости поверхности можно получить через измерение отзыва наконечника зонда на вертикальные модуляции образца, если наконечник находится в контакте с поверхностью. Электросиловая микроскопия (Electric force microscopy) использует электростатические силы или градиенты сил между проводящим наконечником и образцом для генерации сигнала. Этим способом можно получить информацию о зарядах, топографии, емкость (диэлектрической постоянной) и потенциале поверхности. В магнитносиловой микроскопии (magnetic force microscopy) магнитостатические силы измеряются взаимодействием магнитных доменов на поверхности с наконечником, покрытым ферромагнитным материалом. Этот метод, главным образом, интересен как инструмент для приложений в области производства магнитных запоминающих устройств, когда требуется получать изображения намагниченных образцов с разрешением около 50 нм.