Атомно-силовой микроскоп (АСМ) является основным инструментом для исследования нано- и микрообъектов. В связи с быстрым развитием наноиндустрии возник целый спектр задач, для которых высокоточное позиционирование зонда имеет первостепенное значение. Вместе тем, в ряде случаев такое позиционирование на нанообъекты или топологические особенности микрообъектов затруднено. Новая разработка ООО НПП "Центр перспективных технологий" [1] – атомно-силовой интерференционный микроскоп (АСИМ) – в значительной степени обеспечивает решение существующих проблем.
История оптической микроскопии насчитывает более четырех веков. Создано множество сложных оптических микроскопов. Однако возможности классической оптической микроскопии ограничены дифракционным пределом (примерно 1000-кратное увеличение). Для дальнейшего повышения разрешения необходимо перейти на меньшие длины волн либо учитывать фазовые характеристики излучения.
Первый путь был реализован в электронных микроскопах, для получения изображений в которых используют электронный пучок с малыми длинами волн.
Второй путь получил наибольшее развитие в интерференционной микроскопии, которая берет начало от интерферометров – измерительных приборов, в которых используется интерференция волн.
Все интерферометры можно подразделить на двулучевые и многолучевые. Любой интерференционный микроскоп представляет собой сочетание оптического микроскопа и интерферометра. Для исследования поверхностных свойств объекта его помещают вместо одного из отражающих зеркал интерферометра. Изменение рельефа поверхности образца создает разность фаз между интерферирующими лучами, и помимо оптического изображения объекта наблюдается интерференционная картина. Обработка серии снимков позволяет восстановить фазовую картину и рельеф поверхности образца [2, 3].
Прорывом в развитии микроскопии стало изобретение в 1981 году сканирующего туннельного микроскопа, а пятью годами позже – АСМ) [4], являющегося на сегодняшний день одним из самых распространенных инструментов исследования объектов с нанометровым разрешением. Его использование позволяет на атомном уровне анализировать поверхности многих материалов: полимерных пленок, кристаллов, биологических микрообъектов и т.д. АСМ позволяет получать информацию не только о рельефе поверхности образца, но и о заряде, проводимости и магнитных свойствах исследуемой поверхности. Измерения могут проводиться на воздухе, в атмосфере газа и в жидкости [5, 6].
Следующим шагом в развитии микроскопии стал атомно-силовой интерференционный микроскоп (АСИМ). Совмещение в одном приборе принципов интерференционной и атомно-силовой микроскопии дает широкие возможности для исследования различных материалов на наноуровне.
Совмещенные исследования
АСМ позволяет получать изображения с атомным разрешением. Размер кадра обычно не превышает сотни микрон, а время получения изображения составляет от десятков секунд до нескольких минут. В то же время интерференционный микроскоп позволяет получать изображения размером в тысячи микрон за доли секунды с нанометровым разрешением по вертикали и дифракционным ограничением в плоскости образца. В результате АСМ и интерференционный микроскоп дополняют друг друга как по временным, так и по пространственным масштабам исследования.
Сверхточное позиционирование
При решении ряда нанотехнологических задач условие высокоточного позиционирования зонда имеет первостепенное значение. Для этих целей обычно используются системы видеонаблюдения на основе оптического микроскопа [7]. Оптический микроскоп ориентирован перпендикулярно к исследуемой поверхности, что в случае прозрачных объектов затрудняет получение информации о рельефе исследуемой поверхности. Точное наведение зонда микроскопа на нанообъекты или необходимую топологическую область образца (вершину, впадину или участок с заданным углом наклона) затруднено. Вместе с тем на основании получаемой интерференционной картины АСИМ позволяет легко и быстро производить позиционирование.
Калибровка сканера АСМ и контроль перемещений
Одним из основных элементов любого АСМ является сканер – система перемещений образца или зонда при сканировании по трем координатам. Точность измерений в АСМ напрямую зависит от точности его перемещений. Обычно сканер представляет собой пьезокерамическую трубку, для калибровки которого используют эталоны сравнения с известными размерными параметрами [8]. Однако даже на откалиброванном микроскопе при сканировании могут проявляться эффекты дрейфа, нелинейности и гистерезиса пьезокерамики. Таким образом, для высокоточных измерений необходимо проведение контроля перемещений в реальном времени. Следует отметить, что емкостные датчики, используемые для контроля перемещений, в ряде случаев могут являться дополнительным источником шумов. Однако применение современных методов обработки наблюдаемой интерференционной картины позволяет без внесения дополнительных шумов проводить калибровку сканера и контролировать величину перемещений при процессе сканирования в реальном времени.
Контроль изгиба кантилевера
Помимо перемещений сканера АСИМ позволяет контролировать величину изгиба кантилевера, что может быть полезно для предотвращения избыточных деформаций балки кантилевера и ее механических повреждений. Помимо этого одновременный контроль за перемещением образца и зонда микроскопа может дать информацию о возникающих в процессе сканирования деформациях исследуемого объекта.
Области применения
АСИМ предназначен для проведения исследований в различных областях науки и техники: нанотехнология, биология, кристаллография, материаловедение, метрология.
Возможные направления использования АСИМ:
- контроль устройств микроэлектроники (транзисторы, микросхемы);
- решение ряда задач материаловедения (соотношение рельефа материала на микро- и наноуровне, выявление корреляции структура–свойства);
- исследование бактерий и клеток животных и растений;
- изучение поверхности и процессов роста кристаллов;
- контроль процессов, происходящих на поверхности пленочных биосенсоров;
- исследование прозрачных пленок и нанообъектов;
- изучение поверхностных процессов (комплексообразование, изменение шероховатости, самоорганизация структур).
АСИМ позволяет одновременно проводить атомно-силовые и интерференционные исследования. Технические характеристики АСИМ приведены в таблице.
Работа "Атомно-силовой интерференционный микроскоп" стала победителем конкурса на лучший молодежный проект в области наноиндустрии, проводимого Российской корпорацией нанотехнологий в рамках Первого ежегодного российского молодежного инновационного конвента.
Литература
1. www.nanoscopy.net
2. Schwider J., Schreiber H., Zou L. Physical limitations and challenges in modern interferometry. – Optik, 1996, 101, 166.
3. Тодуа П.А. Метрология в нанотехнологии – Российские нанотехнологии, 2007, №2, c. 61–69.
4. Binnig G., Quante C.F., Gerber Ch. Atomic force microscope. – Phys. Rev. Lett., 1986, 56(9), 930.
5. Миронов В.Л. Основы сканирующий зондовой микроскопии. – М.: 2004, с. 74.
6. Филонов А., Яминский И. Обработка и анализ данных в сканирующей зондовой микроскопии: алгоритмы и методы. – Наноиндустрия, 2007, №2, с. 32–34.
7.Багров Д., Яминский И. Атомно-силовая микроскопия деформаций полимерных материалов – Наноиндустрия, 2008, №5, с. 32–36.
8. Раков А.В., Новиков Ю.А., Тодуа П.А. Калибровка АСМ по трем координатам с использованием одного аттестованного размера. – Измерительная техника, 2008, 5.
