Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы.
В последние годы сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ), включающая в себя сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) и атомно-силовую микроскопию (АСМ), претерпевает стремительное развитие и из уникальной лабораторной техники превращается в метод исследования, широко используемый в различных областях науки и техники. Широкие возможности сделали этот метод необходимым при исследовании субмикронных и нанометровых объектов в микроэлектронной технологии, в биологии и в других областях.
Около тридцати фирм и более сотни исследовательских групп в мире работают в области зондовой микроскопии, созданы приборы, позволяющие исследовать поверхности в различных средах в широком диапазоне внешних условий - в сверхвысоком вакууме, в жидких средах, при низких и высоких температурах. Однако зондовые микроскопы с уникальными или рекордными характеристиками узкоспециализированы, трудны в эксплуа-
тации и требуют большого количества дополнительного оборудования. Поэтому актуальными стали конструкции приборов, обладающие высокими эксплуатационными и техническими характеристиками при исследовании поверхности в атмосферных условиях.
Невысокая цена в сравнении с другими приборами, позволяющими анализировать поверхность с высоким пространственным разрешением, и простота в управлении позволяют широко применять зондовые микроскопы 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 изготовлены компанией Digital Instruments (США), мировым лидером в данной области.
В нашей стране до недавнего времени приборы такого типа не изготавливались, 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 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 зондовои микроскопии позволяет получить уникальные результаты, которые либо невозможно, либо очень трудно получить другими методами. В связи с этим возникла задача разработки новой 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, к настоящему времени не создан стандартный набор методик, как, например, в электронной микроскопии. Поэтому для расширения области применения зондовои 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 микроскопии, позволяющих контрастировать изображения исследуемых структур и контролировать появление артефактов; применение и апробация этих методик при исследовании широкого класса поверхностных объектов - полупроводниковых гетероструктур, молекулярных слоев и биологических объектов.
Научная новизна диссертации:
- в разработанной и рассчитанной осесимметричной
конструкции механической части сканирующего зондового
микроскопа с развязкой на трёх опорах всех движущихся
деталей, позволяющей минимизировать самопроизвольные
дрейфы зонда и образца, играющие существенную роль в
искажениях изображений микроскопа;
- в построенной математической модели
взаимодействия зонда и исследуемой поверхности в режиме
тэппинг моды, учитывающей влияние свойств поверхности на
параметры колебаний зонда и позволяющей качественно
объяснить механизм визуализации неоднородностей состава
поверхности методом фазового контраста;
- в развитых комплексных методиках зондовой
микроскопии, позволяющих исключить артефакты на
изображениях поверхностных полупроводниковых
гетероструктур, полученных в атмосферных условиях без
применения химической пассивации образца;
- в достижении молекулярного разрешения в режиме
туннельной микроскопии и спектроскопии при исследовании
молекулярных слоев фуллеренов в атмосферных условиях; в
обнаружении особенностей локальных вольт-амперных
характеристик молекулярных слоев фуллеренов Сбо, которые
объяснены одноэлектронным туннелированием и эффектом
кулоновской блокады приложенного напряжения;
- в выявленной возможности использования
сканирующей туннельной спектроскопии для визуализации
структуры вируса и атомно-силовой микроскопии для
регистрации вирусов на клеточной мембране.
На защиту выносятся:
- развязка на трёх опорах всех движущихся деталей
механической части зондового микроскопа позволяет
минимизировать самопроизвольные перемещения зонда и
образца, в частности в разработанной и рассчитанной нами
оригинальной конструкции прибора;
- физико-математическая модель взаимодействия
зонда атомно-силового микроскопа и исследуемой
поверхности, объясняющая изменение фазы колебаний зонда
в тэппинговом режиме как проявление локальных упругих
свойств поверхности и обосновывающая метод фазового
контраста;
применение комплексных методик зондовой микроскопии позволяет выявить появление в атмосферных условиях артефактов путём сравнения полученных в различных режимах работы прибора результатов, контрастировать и надёжно идентифицировать изображения полупроводниковых гетероструктур типа сверхрешёток и квантовых точек на основе GaAs без применения пассивации поверхности, молекулярных слоев фуллеренов и биологических объектов;
адаптация методик сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии позволила достичь молекулярного разрешения на лэнгмюровских слоях фуллеренов при атмосферных условиях и зарегистрировать характерный вид локальных туннельных вольт-амперных характеристик, объяснённый нами в рамках модели одноэлектронного туннелирования и эффектом кулоновской блокады.
Практическое значение работы:
- в сформулированных требованиях к механической
части сканирующего зондового микроскопа и рекомендациях
по её конструированию;
- в созданной конструкции универсального сканирую-
щего зондового микроскопа для работы в атмосферных условиях, которая позволяет достичь предельных эксплуатационных характеристик;
- в развитых комплексных методиках, позволяющих
исследовать полупроводниковые гетероструктуры,
молекулярные слои и биологические объекты методами зондовой микроскопии.
Апробация работы.
Полученные результаты работы докладывались на 14 международных научных конференциях.
Сконструированный прибор демонстрировался на многих международных выставках, а также получил золотую медаль с отличием на Брюссельской всемирной выставке изобретений в 1996 году.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 20 печатных работ: 12 статей, 1 патент и 7 кратких сообщений на конференциях.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Работа содержит 167 страниц, в том числе 72 рисунка.
