Силовые взаимодействия и зонды в атомно-силовом микроскопе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

щ

/ V

КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК: 621.385.83.

Рехвиашвили Серго Шотович

СИЛОВЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ЗОНДЫ В АТОМНО-СИЛОВОМ МИКШЙСОПЕ

01.04.07 - физика твердого тела

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук Дедков Г.В.

Нальчик - 1998 г.

-л

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Глава 1. Основные концепции атомно-силовой микроскопии 11

1.1. Принцип действия и модификации атомно-силового микроскопа . 11

1.2. Зонды атомно-силового микроскопа. Роль технологии. . . 16

1.3. Применение атомно-силового микроскопа для анализа по

верхности твердых тел ........ 20

1.4. Разрешающая способность атомно-силового микроскопа. . . 24

1.5. Основные типы силовых взаимодействий в атомно-силовом микроскопе . . . . . . . . 27

1.6. Расчет параметров модельных потенциалов . . . . 32

Глава 2. Распределение сил в атомно-силовом микроскопе 37

2.1. Расчет силы взаимодействия и формирование изображений в

приближении одноатомного острия.. . . . . . 37

2.2. Влияние формы острия на распределение сил в атомно -

силовом микроскопе . . . . . . . . 42

2.2.1. Дисперсионное взаимодействие ..... 44

2.2.2. Отталкивательное взаимодействие . . . . Г 48

2.3. Приближение дискретных атомных плоскостей. . ... 53

2.4. Диссипативные силы в системе зонд - образец . . . . 57

Глава 3. Наноструктурные зонды и силовые взаимодействия в атомно-силовом микроскопе

3.1. Структура и свойства фуллеренов и нанотрубок .

61 61

3.2. Фуллерены как изображающие элементы иглы атомно - силового

микроскопа .......... 63

3.3. Нанотрубки и силовые взаимодействия в атомно-силовом

микроскопе .......... 68

3.4. Моделирование изображений поверхности с нанотрубкой. . . 75

Глава 4. Кронштейны и зонды в атомно-силовом микроскопе 82

4.1. Проектирование и расчет кронштейнов ..... 83

4.2. Технология изготовления пленочных кронштейнов ... 86

4.3. Применение ионного травления . . . . . . 91

4.3.1. Механизмы и теория распыления твердых тел ионной бомбардировкой .... % ... 92

4.3.2. Эволюция поверхности под действием ионной бомбардировки ......... 97

4.3.3. Модификация формы иглы атомно-силового микроскопа с помощью ионного распыления ..... 99

4.3.4. Контроль формы иглы с помощью спектрометрии резерфордовского обратного рассеяния . . . . 103

Выводы

Список литературы Приложения

108 110 121

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Сканирующая атомно-силовая микроскопия является одним из приоритетных методов исследования поверхности твердых тел на атомарном уровне разрешения. Актуальность проблем связанных с силовой микроскопией, кроме того, обусловлена развитием нанотехнологии.

В настоящее время удовлетворительная теория атомно-силовых микроскопов отсутствует. Это касается, в первую очередь, расчета сил в системе зонд-образец. Поскольку прибор измеряет силу косвенным образом, необходима калибровка сигнал-сила, выполненная для таких систем, для которых теория межатомных взаимодействий обеспечивает нужный уровень точности.

Наличие силовых взаимодействий в системе зонд-образец приводит к возникновению фрикционных эффектов и является главной причиной износа кронштейнов. Выявление механизмов фрикционных взаимодействий и расчет сил трения также представляют значительный интерес. Наконец, важной проблемой в практической силовой микроскопии является разработка новых методов и технологий изготовления зондов и гибких кронштейнов, которые бы удовлетворяли условиям конкретных экспериментов. В настоящее время наиболее распространенным является метод, основанный на полупроводниковой микротехнологии. Процессы анизотропного травления и фотолитография позволяют изготавливать универсальные диэлектрические и проводящие микроэлементы, гибкие по нормальным и тангенциальным направлениям.

Решение соответствующих задач позволит глубже понять особенности процессов протекающих в системе зонд-образец АСМ, выявить новые физические закономерности и установить условия для их практического применения. По этой причине исследования в данной области являются актуальными, а их результаты имеют большое фундаментальное и прикладное значение.

Цель работы

1. Исследование роли геометрии острия АСМ в распределении сил и формировании изображений поверхности твердых тел, а также моделирование атомного рельефа поверхности с помощью игл разного типа.

2. Разработка технологии изготовления кронштейнов АСМ и методов модификации и контроля формы острия с помощью ионных пучков.

Научная новизна

1. Впервые выполнены сравнительные расчеты сил взаимодействия игл АСМ разной формы с поверхностью твердого тела в приближении дискретных атомных плоскостей и континуальном приближении. Проведены оценки сил трения, возникающих в контактном и бесконтактном режимах зондирования.

2. Исследованы особенности силовых взаимодействий, а также формирования изображений атомарного рельефа поверхности наноструктурными зондами -фуллеренами и нанотрубками.

3. Разработана технология изготовления кронштейнов (проводящих и непроводящих), основанная на фотолитографии и анизотропном травлении. Предложен метод проектирования пленочных кронштейнов прямоугольного сечения.

4. Определены оптимальные режимы ионного травления в целях получения острых выступов на кончике иглы. Показано, что при изотропном процессе распыления на вершине иглы конической формы возникают более острые выступы, если начальный радиус кривизны острия не слишком велик, и если угловая зависимость коэффициента распыления имеет достаточно резкий максимум при углах падения 60 - 70 градусов.

5. Впервые предложен метод контроля формы иглы с помощью спектрометрии обратного резерфордовекого рассеяния.

Практическая значимость

Настоящая работа может оказаться полезной для специалистов, занимающихся в области практической и теоретической сканирующей зондовой микроскопии, а также яанотехшлогни.

1. Расчеты сил взаимодействия могут быть использованы для прецизионной калибровки атомно-силового микроскопа, или для определения формы иглы в эксперименте.

2. Полученные результаты могут быть положены в основу целого ряда оригинальных измерительных методик (определение константы ван-дер-ваальсовского взаимодействия, модулей упругости, теплоты сублимации, поверхностной энергии и т.п.).

3. Предложенная технология изготовления кронштейнов вместе с методом ионной обработки зондов может быть внедрена в промышленности.

Положения, выносимые на защиту

Анализ полученных результатов дает возможность сформулировать следующие научные положения, которые выносятся на защиту.

1. Проведенные расчеты сил взаимодействия для игл различной формы обеспечивают более корректную физическую интерпретацию экспериментов по зондированию поверхности твердых тел в вертикальном направлении. В частности, естественным образом доказывается, что на малых расстояниях от поверхности (в диапазоне сил отталкивания) распределение сил не зависит от геометрической формы иглы АСМ. Основной вклад здесь вносит небольшое количество атомов на кончике иглы (кластерная модель). При увеличении расстояния сканирования начинают преобладать силы Ван-дер-Ваальса, пространственное распределение которых зависит от геометрической формы иглы. Полученные результаты хорошо согласуются с известными теоретическими и экспериментальными данными.

2. Впервые теоретически (с помощью компьютерного моделирования) показано, что наноструктурные зонды - фуллерены и нанотрубки способны обеспечить атомарный уровень разрешения. Полученные аналитические выражения для сил взаимодействия фуллереновой молекулы и нанотрубки с поверхностью твердого тела позволяют проводить калибровку "сила - расстояние". Использование нанотрубок длиной порядка 0,5-1 мкм полностью исключает влияние массивной части консоли. В случае же фуллерена определяющую роль будет играть мезо-скопическая часть основания, на которой закреплена молекула. Обнаружен эффект исчезновения контраста изображения, который наблюдается при определенных сочетаниях радиуса трубки и периода решетки образца. Показано, что этот эффект проявляется тогда, когда на каждом шаге сканирования поверхности эффективное число взаимодействующих атомов зонда и образца меняется незначительно.

3. Предложены конструкция и технология изготовления пленочного кронштейна и зонда в форме четырехугольной пирамиды как единого целого. Рассмотрен метод проектирования консоли АСМ, основанный на расчете ее резонансной частоты и жесткости. Основными достоинствами технологии являются ее простота и большая производительность. Кроме того, технология является самосовмещенной, т.е. после длительного травления подложки готовые элементы оказываются на дне сосуда с травителем. Кончик острия формируется на пересечении граней (111) в результате анизотропного травления. При этом радиус его закругления не превышает нескольких десятков нм.

4. Определены режимы ионного травления иглы АСМ с целью получения нановыступов на ее кончике. Показано, что угловая зависимость коэффициента распыления должна иметь максимум при углах падения в0~ 60 - 70 градусов, а

первоначальный радиус кривизны копчика острия составлять несколько десятков нм. В случаях, когда выступы не образуются, форма иглы с течением времени

стремится к конической с углом раствора, близким к ж- 2в0. Это хорошо согласуется с теоретическими оценками и с экспериментальными результатами.

5. Предложен метод контроля формы иглы АСМ, основанный на измерении интенсивности обратного рассеяния ионов. Процессы изготовления и контроля, что очень важно, можно осуществить в одной вакуумной ячейке. Получены расчетные соотношения, позволяющие проводить надежную интерпретацию экспериментальных данных.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на Всероссийских научно-технических семинарах "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, МЭИ, 1997-1998 г.), на Второй Всероссийской научно - технической конференции с международным участием "Электроника и информатика - 97" (Москва, МИЭТ, 1997 г.), на Международной научно-практической конференции "Elbrus -97" (Нальчик, п. Эльбрус, 1997), на Всероссийской научной конференции "Материаловедение - 96" (Нальчик, КБГУ, 1996), на заседаниях научного семинара "Физика межфазных явлений" КБГУ (Нальчик, 1998 г.). Технология изготовления пленочных кронштейнов опробована на Нальчикском заводе полупроводниковых приборов (НЗПП, 1996).

Объем работы

Диссертация содержит 130 страниц текста и состоит из введения, четырех глав основного текста, 4-х таблиц, 24 рисунков, заключения и двух приложений. Список литературы включает 110 наименований.

Краткое содержание диссертации

Введение включает обоснование актуальности темы, формулировку целей и задач работы, изложены научная новизна и практическая значимость результатов,

обозначены положения, выносимые на защиту, и приведена краткая информация о содержании каждой главы.

В первой главе представлен литературный обзор по существующим модификациям атомно-силового микроскопа, зондам и некоторым экспериментальным результатам. Анализируется разрешающая способность и основные типы силовых взаимодействий. В конце каждого параграфа первой главы выделены соответствующие проблемы и отмечена их актуальность.

Вторая глава посвящена теоретическому расчету сил взаимодействия для игл различной формы. Применялись континуальное приближение, метод дифрагирующих потенциалов и приближение дискретных атомных плоскостей. В расчетах использовались модельные потенциалы Борна-Майера и Юкавы, а также потенциал Ван-дер-Ваальса. Получены аналитические выражения для сил взаимодействия игл цилиндрической, параболической, конической и пирамидальной формы с образцом, представляющим собой толстую полубесконечную пластину. Проведенный анализ позволяет построить общую картину силовых взаимодействий в АСМ. На малых расстояниях, когда силы являются короткодействующими и приблизительно экспоненциально убывают с расстоянием, форма острия зонда не влияет на распределение сил. По мере увеличения расстояния от поверхности до иглы АСМ силы отталкивания сменяются силами ван-дер-ваальсова притяжения. При этом их пространственное распределение зависит от геометрических параметров зонда. Предлагаются методы определения константы ван-дер-ваальсовского взаимодействия и конволюции формы иглы. Рассмотрены некоторые аспекты фрикционных взаимодействий в бесконтактном и контактном режимах зондирования.

В третьей главе развита теория атомно-силового микроскопа с нанострук-турными зондами. Рассмотрена структура фуллеренов и нанотрубок. Произведен расчет сил взаимодействия фулаеренов и углеродных нанотрубок с образцом. Анализируется роль запаздывающих сил Казимира. Для фуллерена проводится

оценка влияния мезоскопической части зонда, а для нанотрубки - прямоугольной консоли. Компьютерное моделирование показало, что острие иглы АСМ, образованное фуллереном или нанотрубкой, способно обеспечить высокое атомное разрешение и отчасти снять проблему калибровки АСМ.

В четвертой главе предлагается конструкция и технология изготовления диэлектрических и проводящих кронштейнов с язычком датчика в форме четырехугольной пирамиды. Выявлены причины образования острых выступов на кончике зонда после ионной бомбардировки. Разработан метод контроля формы иглы с помощью спектрометрии обратного рассеяния.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ АТОМНО-СИЛОВОЙ

МИКРОСКОПИИ

1.1. Принцип действия и модификации атомно-силового микроскопа

Классические работы Г.Биннига и Х.Рорера положили начало развитию сканирующей микроскопии [1,2]. Первые АСМ были сконструированы в 1986г. на базе СТМ [3,4]. В настоящее время расширяется круг исследований, развивается инструментальная база, появляются новые идеи, методические приемы и осваиваются комбинации различных методов.

Сканирующий атомно-силовой микроскоп - это прибор для изучения поверхностей твердых тел с разрешающей способностью порядка межатомных расстояний, основанный на сканировании исследуемого участка образца в плоскости S(x,y) упругим микроэлементом (кронштейном), свободный конец которого (или укрепленное на нем острие) удален от поверхности на расстояние h в несколько ангстрем. При таких расстояниях сила взаимодействия между двумя ближайшими атомами, расположенными соответственно на кончике острия и на поверхности, составляет 10"8 - 10"12 Н. При жесткости кронштейна порядка единиц Н/м это приводит к измеримой деформации.

Устройство сканирующего атомно-силового микроскопа аналогично устройству сканирующего туннельного микроскопа (см. рис 1.1). Принципиальным отличием является то, что стабилизируется не ток между острием и образцом, а деформация чувствительного элемента. Образец закрепляется на специальном столике, который перемещается в плоскости S(x,y) с помощью пьезокерамических электроприводов. С помощью генератора формируются строковая и кадровая развертки изображения поверхности исследуемого образца. Частоты разверток в плоскости S(x,y) зависят от рабочей частоты микроэлемента и определяются его упругими свойствами. Сканирующий зонд закреплен на z - пьезоприводе, обеспе-

Система регистрации

Рис. 1.1. Блок - схема атомно - силового микроскопа.

чивающем его смещение в вертикальном направлении. При сканировании цепь обратной связи обеспечивает постоянство деформации кронштейна (и тем самым силу взаимодействия), соответственно изменяя h. Синхронная со сканированием запись сигнала обратной связи V представляет собой запись профиля поверхности образца. Разрешающая способность систем данного типа может достигать 0,001 нм по оси z и 0,1 нм по х,у.

Отметим, что прибор может работать в вакууме, в жидкости и при атмосферных условиях . В последнем случае значительно хуже, поскольку поверхностные пленки влаги приводят к слипанию кончика острия с поверхностью образца, а следовательно к увеличению сил, действующих между ними, на несколько порядков.

В практических приложениях выявляются перспективы таких методов на основе АСМ, как регистрация фотоотклика туннельного промежутка, генерации света при неупругом туннелировании, баллистическая электронная микроскопия, спин-поляризованная микроскопия, АСМ-потенциометрия, способ измерения локальной жесткости материалов, микроскопия с регистрацией магнитных сил , фотонная туннельная микроскопия и др. Наиболее важными областями применения сканирующего АСМ являются:

1) исследование атомного строения поверхностей металлических, сверхпроводящих, полупроводниковых и диэлектрических структур;

2) исследование явлений адсорбции и поверхностных химических процессов;

3) исследование структур молекул и биол�