Кинетический контраст в атомно-силовой микроскопии

1. Институт физики полупроводников СО РАН Кинетический контраст в атомно-силовой микроскопии Д.В. Щеглов А.В. Латышев В.Ю. Попков

Институт физики полупроводников СО РАН
Кинетический контраст в атомносиловой микроскопии
Д.В. Щеглов
А.В. Латышев
В.Ю. Попков
Д.В. Щеглов, А.В. Латышев, Кинетический контраст в атомно-силовой
микроскопии, ЖЭТФ, т.133, в.2, с.271-278.
Д.В. Щеглов, А.В. Латышев. В.Ю. Попков, Кинетический фазовый контраст в
атомно-силовой микроскопии, Вестник НГУ. Серия: Физика, т.3, в.1, с.91-99.
3, выпуск 1).
D.V. Sheglov, A.V. Latyshev, V.Yu. Popkov, Nanofriction impact on AFM phase
contrast, Microscopy and Microanalysis, 2008, послано в печать.
Д.В. Щеглов, А.В. Латышев, Способ анализа трения с использованием атомносиловой микроскопии и устройство для его осуществления, 2008, подана заявка
на патент РФ.
1

2. Цель работы: Исследование влияния геометрических размеров и форм соприкасающихся наноразмерных объектов на трение между ними на

примере взаимодействия наноразмерного зонда и
ультрагладких поверхностей полупроводников (шероховатость
менее 1 ангстрема), покрытых субмонослойными количествами
металлов в виде упорядоченных сверхструктурных доменов.
Исследованию физических аспектов взаимодействия
осциллирующего зонда атомно-силового микроскопа (АСМ) с
покрытой естественным оксидом ультра гладкой поверхностью
полупроводников (например, кремния) после осаждения
субмонослойных количеств металлов в целях оптимизации
возможностей метода фазового контраста при диагностике
свойств поверхности (например, трибологических) в
полуконтактном режиме сканирования
АСМ.
2

3.

Принципиальная схема работы атомно-силового микроскопа
•J.B.P.Williamson, Proc.Inst.Mech.Eng.London, 182, 21 (1967-68) Ansi B46.1.
•R.Young, J.Ward, F.Scire, Phys.Rev.Lett. 27 (1971) 922, R.D. Young , Phys. Rev. 113 (1959) 173, R.D. Young,
Physics today 24 (Nov.1971) 42.
•R.Young, J.Ward, F.Scire, Rev. Sci. Instrum, 43 (1972) 999.
•G.Binnig, H.Rorer, Ch.Gerber, E.Weibel, Phys.Rev.Lett. 49 (1982) 57. G.Binnig, H.Rorer,
Ch.Gerber, E.Weibel, Appl.Phys.Lett. 40 (1982) 178. G.Binnig, H.Rorer, Ch.Gerber,
E.Weibel, Phys.Rev.Lett.50(2) (1983) 120.
3

4.

Сила взаимодействия зонда АСМ с
поверхностью в зависимости от расстояния
4

5.

К формированию фазового контраста в АСМ
m * z m
0
Q
z kz F0 cos t Fts
где m* - эффективная масса кантилевера, Z –
координата кантилевера, q=m 0/Q –
коэффициент демпфирования («вязкости»), t время, k – жесткость кантилевера, F0 и ω –
амплитуда и частота вынуждающей силы, Fts
сила взаимодействия зонда и поверхности,
соответственно.
В стационарном режиме решение –гармоническая
функция:
Z(t)=Const +B cos ( t - ).
Домножая на dz/dt и интегрируя по периоду
получаем:
sin
E
kB
diss
QF0 0 BF0
где диссипация энергии из-за взаимодействия
зонда с поверхностью в каждом цикле
колебаний:
T
E diss Fts dz
0
5
R.Garcia, J.Tamayo, A.S.Paulo, Surface and Interface Analysis
27, 312 (1999).

6.

Применение фазового контраста для идентификации
и анализа точной формы моноатомных ступеней
6

7.

К формированию кинетического фазового контраста в АСМ
Поверхность Si(111) с субмонослойным покрытием [5x5]Cu
Ediss E 0diss Ediss (V );
0 (V )
kB Ediss (V ) E 0diss
sin( 0 (V ))
QF0 0 BF0 BF0
Обоснован и представлен сбой
фазы колебаний зонда,
инициированный сканированием
7
0 0
E (V )
(V ) cos( 0 ) diss
BF0

8.

Зависимость кинетического сбоя фазы
колебаний от скорости сканирования
5 мкм/с
12 мкм/с
20 мкм/с
Фактором, инициирующим диссипацию
кинетической энергии зонда
при его взаимодействии с поверхностью,
является сила трения
8

9.

max (U ( x ) U ( xi )), minU(x) x i , x f
x , x
Ediss i f
;
U ( x f ) min U(x ), minU(x) x i , x f
xi , x f
x
U ( x ) A sin
a
2a
1 N
1
Ediss Ediss j
Ediss( x )dx
N j 1
2a 0
Для a
a
2
a
2
x
x
x
2a Ediss A sin
A sin dx A A sin dx
a
a
a
a
a
2
2
3a
2
x
x
A
sin
A
sin
dx 2 A
a
a
3a
2
A V
a cos( 0 ) BF0
где - отношение к пути, пройденному
иглой за весь период колебаний
9

10.

Моделирование сбоя фазы колебаний зонда
при сканировании поверхности
с анизотропией эффективной шероховатости в
перпендикулярных направлениях
10

11.

Поверхность Si(111) с субмонослойным покрытием [5x2]Au
V=17 мкм/с
=100 000 Гц
=0, 17 нм
a=0, 18 нм
11

12.

,
Для a m(2a)
K ' m A
при условии убывания K’ более быстрого, чем1
m
, или так как величина m фактически пропорциональна скорости
движения иглы, - при условии
1
A2 (8 VT a )
K ' 1 Ediss
v
m ( VT ) 2
12

13.

Применение фазового контраста для идентификации
и анализа точной формы и распределения
положительных островком кремния и моноатомных
ступеней после гомоэпитаксии
13

14.

Применение фазового контраста для идентификации
и анализа точной формы сверхструктурных доменов
и моноатомных
ступеней на кремнии после гетероэпитаксии
меди (сверху)14и золота (снизу)

15.

Инвертирование сбоя фазы после
повторного сканирования поверхности
15

16.

В работе проанализирован сдвиг фазы колебаний резонирующего зонда
АСМ при его взаимодействии с поверхностью подложки в условиях
изменения скорости передвижения зонда АСМ вдоль поверхности.
Выявлен и обоснован кинетический механизм формирования фазового
контраста АСМ, инициирующийся при увеличении скорости передвижения
зонда АСМ по поверхности подложки вследствие увеличения силы
трения.
В рамках многоточечного контакта зонд-поверхность
рассмотрены процессы диссипации энергии при латеральном
взаимодействии зонда АСМ и поверхности при передвижении зонда по
такой поверхности.
Обнаружена зависимость интенсивности
кинетического контраста АСМ от эффективной шероховатости
поверхности.
Методом кинетического фазового контраста АСМ получены
изображения распределения примесей меди по поверхности кремния в
атмосферных условиях.
Различие в фазовом контрасте АСМ для
сверхструктурных доменов, инициированных субмонослойным осаждением
меди, объяснено в предположении о различной ориентации доменов
относительно направления сканирования зондом поверхности.
Произведено сравнение результатов с моделью Бхушана-Тамбе, что
подтвердило трибологическую природу формирования кинетического
фазового контраста в АСМ.
16