Введение к работе
І. Актуальность диссертационной работы.
При решении многих задач физики поверхности и микроэлектроники требуется производить анализ локальных микроскопических характеристик диэлектриков, включая распределение микронеоднородностей, заряженных и нейтральных дефектов и др. Для этих целей был разработан новый метод исследования поверхности- метод атомно-силовой микроскопии, основанный на измерении межатомных (межмолекулярных) взаимодействий, возникающих между зондирующим острием и исследуемой поверхностью.
Метод АСМ является в настоящее время единственным методом локального исследования диэлектриков с атомным пространственным разрешением. Этот метод позволяет также изучать поверхности проводников, проводящие поверхности с диэлектрическими включениями, проводить топографический анализ дефектов и кластеров, органических пленок и биологических объектов.
Кроме возможности исследовать рельеф поверхности метод АСМ позволяет изучать силовые взаимодействия с высокой чувствительностью по силе и высоким пространственным разрешением, а также проводить одновременно исследование структуры и силовых констант, характеризующігх взаимодействие между зондирующим острием и поверхностью. Метод атомно-силовой микроскопии открывает новые возможности при исследовании фундаментальных проблем атомного трения, адгезии и смазки трущікся поверхностей. А также для решения прикладных задач современной технологии: при производстве оптических дисков записи информации, контроля изделий микроэлектроники и т.д.
Несмотря на то, что с момента создания АСМ прошло шесть лет, количество работ в этой области существенно меньше (приблизительно на порядок) чем за тот же период в области туннельной микроскопии. Это связано с существенно большими методологическими трудностями при АСМ исследованиях поверхности, которые обусловлены тем, что как правило АСМ исследования проводятся в контактной моде (в отличие от СТМ).
В России в настоящее время существует лишь одна группа (физический факультет МГУ), работающая в данном направлении.
Цель диссертационной работы
состояла в разработке методики атомно-силовой микроскопии и спектроскопии межатомных взаимодействий и оценке пространственного разрешения этих методов, создание экспериментальной установки и ее применение для прецизионных исследований структуры поверхности твердых тел и межатомных взаимодействий, получения ограничений на параметры
дальнодействия потенциала юкавского типа методом АСМ, а также применение метода емкостной спектроскопии для исследования профиля плотности и диэлектрической проницаемости тонких пленок гелия.
Для достижения этой цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Создание атомно-силового микроскопа с атомным пространственным
разрешением, позволяющим проводить исследования при потенциалах
притяжения и отталкивания, в режиме сил трения и измерения силовых
зависимостей (спектроскопии межатомных взаимодействий).
-
Создание метода спектроскопии межатомных взаимодействий и оценка его разрешающей способности.
-
Получение ограничений на параметры дальнодействия потенциала типа Юкавы методом АСМ.
4. Исследование структуры Л Б пленок стеарата кадмия и
жидкокристаллического холестерического полимера на различных подложках
с молекулярным пространственным разрешением, определение условий
бездефектного формирования монослоев. Исследование возникновения
сверхструктуры на ЛБ пленках жидкокристаллического полимера методом
стм.
5. Исследование структуры поверхности и межкристаллитных границ
висмутовых ВТСП керамик при различных видах обработки.
6. Количественное исследование профиля плотности и диэлектрической
проницаемости тонких пленок гелия емкостным методом.
Научная новизна работы.
-
Предложен и реализован метод спектроскопии межатомных взаимодействий.
-
Получены ограничения на параметры дальнодействия потенциала типа Юкавы для расстояний ~(10"'-106)м методом АСМ.
-
Выявлены детали молекулярной решетки при исследовании пленок Ленгмюра-Блоджетт методом АСМ. Исследована структура поверхности ЛБ монослоев стеарата кадмия на CdS и GaAs подложках.Обнаружена большая разрыхленность пленки на поверхности GaAs, чем на CdS поверхности.
-
С молекулярным пространственным разрешением исследованы ЛБ слои жидкокристаллического гребнеобразного полимера, сформированных на поверхностях графита, кристаллического и гидрогенизированного кремния. Обнаружено, что на поверхности графита и кристаллического кремния формируются два типа молекулярных решеток.
-
Выявлены условия, при которых формируются бездефектные монослои жидкокристаллического полимера, что позволило получить в интерфейсе Л Б
пленка- гидрогенизированный кремний (a-Si:H) подвижность носителей заряда в проводящем канале вдоль поверхности пленки в 30 раз больше, чем для интерфейса Si02-a-Si:H.
-
При исследовании методом АСМ поверхности висмутовой сверхпроводящей керамики впервые обнаружено, что в результате отжига происходит упорядочение ориентации кристаллитов, межкристаллитные расстояния уменьшаются на порядок и уменьшается разброс их высот.
-
С помощью емкостного метода определена неоднородность распределения плотности и диэлектрической проницаемости жидкого гелия вблизи границы с твердой стенкой, оценены толщина и диэлектрическая проницаемость твердого слоя гелия.
Практическая ценность.
-
Создана лабораторная установка для локального исследования поверхности методом АСМ. На ее базе разработан и выпускается малой серией промышленный вариант прибора.
-
Разработана методика исследования трения в атомных масштабах.
-
Предложен метод спектроскопии межатомных взаимодействий, позволяющий получать значения констант взаимодействия исследуемых поверхностей.
-
Разработана методика исследования ЛБ пленок с молекулярным пространственным разрешением.
-
В результате АСМ исследований ЛБ пленок жидкокристаллического полимера выявлены условия формирования бездефектных монослоев, в результате чего удалось использовать данные ЛБ пленки в качестве изолирующих слоев при создании двухзатворного тонкопленочного полевого транзистора.
-
Отработана методика исследования поверхности ВТСП керамик.
Апробация работы.
Основные результаты были доложены на -Международной конференции по СТМ (СТМ-90), Балтимор, США. -Международной конференции по СТМ (СТМ-91), Интерлакен,Швейцария. -Международной конференции по СТМ, Хемнитц, Германия, 1991. -V всесоюзном совещании по когерентному взаимодействию излучения с веществом, Симферополь, 1990.
-II всесоюзном совещании "Физические основы построения устройств обработки информации на молекулярном уровне", Москва, 1990. -VI всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, г.Звенигород, 1989. -XXV всесоюзном совещании по физике низких температур Ленинград, 1988.
-Marcel Grossman Meeting on General Relativity, 1988. -Международной конференции по CTM (СТМ-93), Пекин, КНР.
Структура и объем диссертации.
