Методы сканирующей зондовой микроскопии в исследовании поверхностных наноструктур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

московский государственный технологически университет

«станкин»

На правах рукописи

Ерёмченко Максим Дмитриевич МЕТОДЫ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ В ИССЛЕДОВАНИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНОСТРУКТУР

01.04.04 - физическая электроника Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель д.ф.-м.н. Федирко В.А.

москва 1998

Содержание.

Введение............................................................................................................................5

Глава I. Современное состояние и проблемы зондовой микроскопии.......................12

1.1. Устройство и основные типы конструкций сканирующих зондовых микроскопов.........................................................................................12

1.1.1. Основные типы виброзащиты..................................................14

1.1.2. Конструкции устройства сближения зонда и образца.................17

1.1.3. Основные типы устройств сканирования.....................................21

1.1.4. Системы регистрации сигнала.......................................................27

1.2. Анализ применяющихся в зондовой микроскопии режимов работы.......31

1.2.1. Режимы работы туннельного микроскопа....................................32

1.2.2. Основные режимы, применяющиеся в атомно-силовой микроскопии..............................................................................34

1.3. Некоторые результаты исследований поверхности методами зондовой микроскопии...................................................................................44

1.3.1. Обзор работ в области туннельной микроскопии......................44

1.3.2. Обзор результатов применения атомно-силовой микроскопии..49

Глава II. Разработка конструкции механической части зондового микроскопа........53

2.1. Особенности конструкции и оценки шумовых характеристик микроскопа...................................................................................54

2.2. Конструкция механической части микроскопа..................................62

2.3. Исследование характеристик микроскопа на основе тестовых экспериментов...............................................................................69

2.3.1. Измерения силы давления кантилевера на исследуемую поверхность.........................................................................70

2.3.2. Измерения собственных частот колебаний механической части прибора..............................................................................74

2.3.3. Изображения тестовых поверхностей.................................76

2.4. Математическая модель фазового контраста в тэппинг моде атомно-силовой микроскопии.......................................................................82

Глава III. Исследования полупроводниковых объектов методами зондовой микроскопии..........................................................................................91

3.1. Исследования структуры сверхрешёток GaAlAs/GaAs........................93

3.2. Исследования поверхностных гетероструктур GaAs/InGaAs.................98

Глава IV. Результаты применения зондовой микроскопи в исследованиях молекулярных поверхностных структур.......................................................106

4.1. Исследования молекулярных кластеров фуллеренов Сбо....................108

4.2. Исследования молекулярных монослоёв фуллеренов Сбо....................118

Глава V. Результаты применения зондовой микроскопии для исследования биомолекулярных объектов......................................................................127

5.1. Исследования формы адсорбированных молекул ДНК......................128

5.2. Применение зондовой микроскопии для регистрации и исследования структуры вирусов.................................................................................133

5.2.1. Исследования структуры парвовируса методами туннельной микроскопии......................................................................134

5.2.2. Применение методов атомно-силовой микроскопии для регистрации вирусов.............................................................137

Заключение..........................................................................................145

Список литературы................................................................................150

Введение.

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) были изобретены в начале 80-х годов исследовательской группой под руководством Г. Биннига и Г. Рорера. В 1982 году изготовлен сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) [1,2], а спустя несколько лет эта же группа предложила и реализовала конструкцию сканирующего атомно-силового микроскопа (АСМ) [3]. Метод исследования основан на применении специальных зондов, сканирующих исследуемую поверхность и взаимодействующих с ней.

В туннельном микроскопе [4,5] электропроводная игла подводится к поверхности на столь малое расстояние (~1 нм), что при наличии разности потенциалов (-0,1 В) между электродами возникает туннельный ток. Так как величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между электродами, то, измеряя изменение туннельного тока при сканировании, можно получать информацию о рельефе поверхности. При этом разрешение по вертикали достигает сотых долей нанометра и ограничивается уровнем шумов в системе и

п то

минимальным регистрируемым током (обычно 10" - 10" А). Разрешение по горизонтали определяется радиусом кривизны острия зонда, и может достигать атомарного, то есть десятых долей нанометра. Таким образом, туннельная микроскопия позволяет исследовать поверхности электропроводных материалов с атомарным разрешением.

В атомно-силовом микроскопе в качестве зонда используется кантилевер -специальная игла на гибкой пластине. Остриё такого зонда, взаимодействуя с атомами исследуемого образца, отклоняется, регистрация этого отклонения при сканировании формирует карту рельефа поверхности. Разрешение по вертикали, как и в случае туннельного микроскопа, определяется уровнем шумов в системе и чувствительностью системы регистрации отклонения зонда и достигает десятых долей нанометра при оптической системе регистрации изгиба кантилевера. Разрешение в плоскости образца определяется радиусом кривизны острия иглы, лежащем в диапазоне от 5 до 50 нм для различных моделей стандартных зондов. В лабораторных условиях изготавливаются острия с радиусом кривизны менее нанометра, при использовании таких зондов может быть достигнуто атомарное разрешение [6]. Сила взаимодействия кантилевера с поверхностью образца определяется в основном силами Ван-дер-Ваальса и, в зависимости от коэффициента упругости гибкого элемента зонда, лежит в пределах от 10"4 до 10"9 Н. При применении специальных методик (например, при работе в жидкостной ячейке [7] (см. п. 2.3)) сила взаимодействия может быть снижена до ~10"12 Н. При таких величинах воздействия зонда на образец не происходит разрушения исследуемых поверхностных объектов. Таким образом, атомно-силовая микроскопия позволяет исследовать рельеф поверхности твёрдых тел без нарушения её структуры с разрешением до десятых долей нанометра.

В настоящее время развито несколько специальных методик, расширяющих область применения зондовых микроскопов, детально эти методики будут рассмотрены далее. Кроме того, на базе туннельных и атомно-силовых микроскопов в последние годы созданы новые типы зондовых приборов, например, сканирующий оптический микроскоп ближнего поля [8], различные типы сканирующих

микроскопов с магнитными или электростатическими зондами [9,10], двухзондовые туннельные микроскопы [И], туннельные микроскопы с электрохимической ячейкой [12] и другие. Рассмотрение этих приборов выходит за рамки данной работы. Термин сканирующий зондовый микроскоп в данной работе будет использоваться в узком смысле комбинации сканирующих туннельного и атомно-силового микроскопов.

В последние годы зондовый микроскоп стал не уникальной лабораторной техникой, а прибором, широко используемым в различных областях науки и техники. Существует большое количество конструкций, адаптированных для решения различных задач узкого профиля. Около тридцати фирм и более сотни исследовательских групп в мире изготавливают специализированные модели зондовых микроскопов, позволяющие исследовать поверхности в различных средах в широком диапазоне внешних условий. Созданы микроскопы, работающие в высоком вакууме [13,14], при низких температурах [15], при высоких температурах [16] и в жидких средах [17]. Широкие возможности сделали этот метод необходимым при исследовании субмикронных и нанометровых объектов в микроэлектронной технологии, в биологии и в других областях.

Однако зондовые микроскопы с уникальными или рекордными характеристиками узкоспециализированы, трудны в эксплуатации и требуют большого количества дополнительного оборудования. Поэтому актуальными стали конструкции приборов, обладающих высокими эксплуатационными и техническими характеристиками при исследовании поверхности в атмосферных условиях. Невысокая цена и простота в управлении позволяют широко применять такие приборы для исследования различных типов поверхностных объектов.

Несмотря на большое количество предложенных конструкций зондовых микроскопов, лишь некоторые из них включают в себя не только туннельный, но и атомно-силовой микроскопы, в особенности, с наиболее простой в управлении оптической регистрацией отклонения зонда. До недавнего времени в мире было всего несколько конструкций зондовых микроскопов такого типа, подавляющее большинство их изготовлено компанией Digital Instruments (США), мировым лидером в данной области.

В нашей стране до недавнего времени не изготавливались приборы такого типа, а импортная техника дорога и не получила распространения. При этом предпочтительно, чтобы в распоряжении исследователя имелась возможность применять различные режимы как туннельной так и атомно-силовой микроскопии. В связи с тем, что использование туннельного микроскопа ограничивается в известной мере лишь проводящими объектами, область применения атомно-силовой микроскопии даже несколько шире. Сканирующая зондовая микроскопия находит применения в самых различных областях науки и техники: физико-химии поверхности и поверхностных структур, в полупроводниковой электронике и микроэлектронике, в исследованиях молекулярных структур и поверхностных покрытий, биомолекулярных и биологических объектов, причём нередко применение зондовой микроскопии позволяет получить уникальные результаты, которые либо невозможно, либо очень трудно получить другими методами. В связи с этим возникла задача разработки оригинальной конструкции универсального зондового микроскопа, работающего в атмосферных условиях.

Возможность применения туннельной и атомно-силовой микроскопии для решения различных задач определяется наличием не только прибора, но и специальных методик для исследования тех или иных объектов. Поскольку эта

техника находится ещё в процессе развития, пока не создан стандартный набор методик для широкого класса объектов, как, например, в электронной микроскопии. Поэтому для расширения области применения зондовой микроскопии актуально развитие методик и адаптация их для исследования различных типов объектов.

Целью диссертационной работы является разработка оптимальной конструкции механической части универсального сканирующего зондового микроскопа с высокими эксплуатационными характеристиками, а также развитие и совершенствование методов и методик исследования различных поверхностных объектов с помощью сканирующей зондовой микроскопии. В круг исследуемых задач входят:

- анализ факторов, определяющих эксплуатационные характеристики сканирующего зондового микроскопа, формулировка требований к механической части микроскопа и создание на их основе оптимальной конструкции универсального прибора, работающего в атмосферных условиях; оценка технических характеристик и возможностей разработанного микроскопа на основании тестовых экспериментов;

- выяснение механизмов контрастирования поверхностных объектов в различных режимах работы зондового микроскопа и исследование особенностей взаимодействия зонда атомно-силового микроскопа и исследуемой поверхности;

- создание и совершенствование комплексных методик зондовой микоскопии, позволяющих контрастировать изображения исследуемых структур и контролировать появление артефактов; применение и апробация этих методик при исследовании широкого класса поверхностных объектов - полупроводниковых гетероструктур, молекулярных слоёв и биологических объектов.

В первой главе диссертации описано современное состояние техники зондовой микроскопии, рассмотрены наиболее известные конструкции приборов и их основные режимы работы, приведены результаты некоторых экспериментов, демонстрирующих достигнутые к настоящему времени возможности зондовой микроскопии.

Во второй главе отражены работы, связанные с разработкой новой конструкции сканирующего зондового микроскопа. В первом параграфе сформулированы основные требования к прибору на основе рассмотрения достоинств и недостатков существующих конструкций зондовых микроскопов. Во втором параграфе проведены теоретические расчёты элементов механической части нового прибора, описана его конструкция. В третьем параграфе анализируются технические характеристики разработанного прибора на основе результатов тестовых экспериментов. В следующем параграфе предложена математическая модель взаимодействия зонда и образца, обосновывающая методику регистрации фазы, которая позволяет контрастировать изменение состава исследуемой поверхности в атомно-силовом режиме.

В третьей главе представлены разработанные комплексные методики зондовой микроскопии для анализа полупроводниковых структур в атмосферных условиях без химической пассивации поверхности, показана возможность выявления артефактов сравнением изображений, полученных в различных режимах работы прибора. Изложены результаты исследований сверхрешёток на основе арсенида галлия и квантовых точек на эпитаксиальных ОаАз подложках с применением этих методик, показаны возможности и преимущества метода при анализе подобных структур.

В четвёртой главе диссертации представлены методики зондовой микроскопии и результаты их применения для исследований молекулярных структур. В качестве модельного объекта рассмотрены молекулярные слои и кластеры фуллеренов с применением различных режимов туннельной и атомно-силовой микроскопии в атмосферных условиях.

В пятой главе рассмотрены экспериментальные данные, полученные при исследованиях морфологии биологических и биомолекулярных объектов - молекул ДНК и некоторых вирусов. Для визуализации этих объектов адаптировались различные методики зондовой микроскопии, показана принципиальная возможность применения данной техники для регистрации и исследования структуры биологических объектов.

В Заключении сформулированы выводы и основные результаты работы.

ГЛАВА I

Современное состояние и проблемы зондовой микроскопии.

1.1. Устройство и основные типы конструкций сканирующих зондовых микроскопов.

Конструкции сканирующих атомно-силовых микроскопов (АСМ) и сканирующих туннельных микроскопов (СТМ) имеют много общего, в этих приборах близко к поверхности устройством "грубого перемещения" подводится зонд, осуществляется движение зонда относительно исследуемой поверхности сканером микроскопа, необходима система виброзащиты. Поэтому, конструкции узлов, осуществляющих перечисленные функции, можно считать одинаковыми для обоих типов приборов, вне зависимости от того, для какого типа микроскопа было применено то или иное решение. Различия между туннельным и атомно-силовым микроскопами существуют только в системе регистрации сигнала, но и к этим узлам применимы общие требования по уровню шумов, дрейфам, помехозащищённости и т.д.

Целью данного параграфа является обзор наиболее удачных конструктивных решений, с целью их возможного применения в конструкции механической части нового универсального зондового микроскопа, работающего в атмосферных условиях.

Рассмотрим основные требования к механическим узлам сканирующего зондового микроскопа (СЗМ). Главная характеристика микроскопа - разрешение - в случае зондового микроскопа определяется качеством зонда и уровнем шумов в приборе. Поэтому для повышения разрешения, очевидно, необходимо снижать шумы системы, которые в зондовом микроскопе могут иметь электрическое (в данной работе не рассматриваются) и механическое происхождение. Механические шумы возникают при возбуждении упругих колебаний какого-либо элемента конструкции и распространением их в системе "зонд - исследуемый образец". Механические колебания могут возбуждаться как внешними (вибрациями здания, колебаниями атмосферы), так и внутренними (электродвигатели, пьезоманипуляторы) источниками.

Поэтому качество механической части зондового микроскопа определяется, в основном, уровнем шумов, который зависит, во-первых, от "помехозащищённости", определяемой виброзащитой прибора. Если рассматривать систему виброзащиты как частотный фильтр, то "помехозащищённость" тем лучше, чем ниже максимальная частота, пропускаемая этим фильтром. Во-вторых, уровень шумов зависит от "помехоустойчивости", которая определяется механической жёсткостью элементов конструкции.