Рис. 9-3. Окно режима поиска резонанса и установки рабочей частоты в ручном режиме: а) – грубый режим; б) – точный режим
При подводе зонда (Landing) установите коэффициент усиления в цепи обратной связи Feed Back Loop Gain на значении 2-3, параметр Amplitude Suppression в окне Set Interaction на величину 0,20 – 0.30 (рис. 9-4).
Рис. 9-4. Окно установки величины взаимодействия зонда и образца
После выполнения процедуры подвода (Landing) установите следующие параметры в окне сканирования Scanning :
Площадь сканирования Scan Area (Xnm*Ynm): 5000*5000 нм,
Количество точек измерений по осям X, Y : NX=300, NY=300,
Скорость сканирования Velocity =3000 nm/s,
Усиление петли обратной связи Feed Back Loop Gain = 2,
В окне Set Interaction значение Amplitude Suppression на величину 0.10 (рис. 9-5).
Рис. 9-5. Окно управления процессом и отображения результатов сканирования ССМ
Нажмите кнопку Apply для подтверждения ввода параметров и кнопку START для начала сканирования.
В процессе сканирования изменяйте параметры Velocity, Amplitude Suppression и Feed Back Loop Gain для достижения наилучшего качества изображения.
Отличительной особенностью тестового образца, содержащего углеродные нанотрубки, является наличие слабо закрепленных объектов (нанотрубок) на планарной поверхности (полированная кремниевая подложка). При сканировании в АСМ режиме из-за слишком высокого значения усиления петли обратной связи может возникать самогенерация вынужденных колебаний зонда, что приводит к нестабильности положения зонда относительно подложки. Данный эффект проявляется на полученном изображении в виде гребенки и может приводить к сметанию нанотрубок с поверхности подложки, кроме того наличие гребенки не позволяет получить необходимое для расчета радиуса закругления острия зонда качество изображения.
Уменьшить влияние самогенерации можно варьируя следующие параметры:
Velocity – скорость сканирования недолжна быть слишком высокой чтобы петля обратной связи успевала установить положение, однако этот параметр должен быть подобран разумно, чтобы сканирование все же завершилось,
Amplitude Suppression – данный параметр характеризует силу взаимодействия зонда с подложкой (образцом). Значение этого параметра рекомендуется варьировать для получения наилучшего качества изображения, однако следует помнить, что большое значение вызывает генерацию вынужденных колебаний, а малое взаимодействия зонда с подложкой не позволяет идентифицировать малые объекты (нанотрубки) на поверхности,
Feed Back Loop Gain – рекомендуется устанавливать значение 2, однако если не удается избавиться от гребенки на изображении, следует снизить его значение до 1.
Оценка радиуса закругления острия зонда по изображению углеродных нанотрубок
В силу конструктивных особенностей СЗМ NanoEducator острие зонда в полуконтактном режиме сканирования совершает не только нормальные к поверхности подложки колебания, но и двумерные малые колебания в плоскости параллельной поверхности образца. Если частоты колебаний зонда ωi значительно больше обратного времени нахождения зонда для измерения в каждой точке поверхности τизм:
ωi>>τизм-1,
то колебание острия зонда можно представить в первом приближении как полусферу с эффективным радиусом R, превышающим реальный радиус острия.
В связи с этим рассмотрим острие зонда в приближении конуса, заканчивающего полусферой, радиусом закругления R (см. рис. 9-6). Тогда результирующее изображение нанотрубки будет являться суммой форм острия иглы кантилевера и нанотрубки. Зная диаметр нанотрубки d, и измерив ширину полученного изображения w, можно вычислить эффективный радиус закругления острия кантилевера АСМ (см. рис. 9-6б). При этом используем приближение, в котором считаем, что нанотрубка не претерпевает значительных деформаций, и высота нанотрубки равна ее диаметру. Так, радиальное сжатие однослойных нанотрубок по отношению к свободной недеформированной трубке не превышает 10% для трубок диаметром около 3 нм и незначительно для трубок меньшего диаметра [10].
Измерение ширины изображения нанотрубки лучше проводить на ее полувысоте, так как изображение границы перехода нанотрубка - подложка не всегда может быть точно определена. Тогда эффективный радиус острия иглы АСМ вычисляется по следующей формуле (см. рис. 9-6):
R = 0.25d-1·(w2-d2),
где R – эффективный радиус острия иглы сканирующего зондового микроскопа; d - диаметр нанотрубки; w - ширина изображения нанотрубки, измеренная на полувысоте.
а б
Рис. 9-6. а) - траектория движения иглы сканирующего зондового микроскопа при сканировании нанотрубки, лежащей на основании; б) - вид сечения изображения нанотрубки в сканирующем зондовом микроскопе
При неупорядоченном расположении нанотрубок на основании с заданной плотностью, измерив профиль изображения нанотрубок под различными углами к направлению сканирования, возможно восстановить трехмерное изображение острия иглы кантилевера с использованием математических расчетов.
После получения изображения нанотрубок на подложке, если необходимо, вычтите первую плоскость из полученного изображения (Plane Delete) и удалите ступени (Step Delete) (рис. 9-7).
Рис. 9-7. Изображение нанотрубок на поверхности оксида кремния
Сделайте сечение нанотрубки в направлении перпендикулярном ее оси (меню Edit→Cut Section) (рис. 9-7, линии 1 и 2). Проведите анализ сечения изображения (Tools→Analisis). Первоначально, измерите высоту нанотрубки d. Далее, измерьте ширину изображения нанотрубки w на ее полувысоте (рис. 9-8). По полученным данным можно вычислить радиус острия зонда R.
а б
Рис. 9-8. Примеры измерений высоты и ширины изображения нанотрубки: а) – сечение 1; б) – сечение 2
4. Методические указания
Прежде чем приступить к работе на сканирующем зондовом микроскопе NanoEducator следует изучить руководство пользования для прибора.
5. Техника безопасности
Прибор управляется напряжением 220В. Эксплуатацию сканирующего зондового
микроскопа NanoEducator производить в соответствии с ПТЭ и ПТБ электроустановок
потребителей напряжением до 220 В.
6. Задание
Часть1. Получение топографии поверхности участка с нанотрубками исследуемого образца.
1.1. Установите на держатель образца исследуемый образец – тестовую решетку с углеродными нанотрубками.
1.2. Установите зондовый датчик в гнездо измерительной головки прибора NanoEducator. Лишь слегка затяните прижимающий винт.
1.3. Запустите управляющую программу прибора NanoEducator. Выберите режим сканирующего силового микроскопа (ССМ).
1.4. Произведите настройку датчика на резонанс. Рекомендуется устанавливать величину амплитуды, задаваемой генератором в диапазоне 20-50 mV. Установите амплитуду колебаний зонда на величину 5 В подбором коэффициента AM Gain. Если на графике есть несколько пиков, попытайтесь уменьшить амплитуду дополнительных пиков, подбирая степень прижатия датчика винтом фиксации.
1.5. Осуществите сближение зонда с образцом с помощью винта ручного подвода до расстояния примерно 1 мм.
1.6. Войдите в меню «Landing». Увеличьте в окне «Options» значение «Integrator delay» (время, необходимое для вытягивания сканера на полный диапазон при включении следящей системы) до 1000 мс, что позволит осторожно осуществлять сближение. Установите значение «Amplitude Suppresion» равным приблизительно 0,2-0,3.
1.7. Осуществите сближение, нажав кнопку «Start». После захвата взаимодействия (появится надпись OK) уменьшите величину взаимодействия до значения 0,1. Убедитесь, что величина Z не уменьшается.
1.8. Откройте окно сканирования, нажав в меню кнопку «Scan». Задайте необходимые параметры сканирования. Для тестового образца с нанотрубками скорость сканирования рекомендуется установить около 3000 nm/s, шаг сканирования – меньше, чем ожидаемая величина радиуса закругления острия зонда (<100 nm) для кадра размером 5*5 мкм.
1.9. Осуществите измерение топографии поверхности исследуемого образца. Сохраните полученные результаты.
1.10. После окончания эксперимента закройте окно сканирования и осуществите отвод зонда от образца.
Часть 2. Вычисление радиуса закругления острия зонда по изображению нанотрубки.
2.1. Загрузите полученное изображение нанотрубок.
2.2. Возьмите сечение перпендикулярное оси изображения нанотрубки (Cut Section).
2.3. В окне сечения измерьте высоту изображения нанотрубки d и ширину на полувысоте w изображения.
2.4. Оцените эффективный радиус закругления зонда R по следующей формуле:
R = 0.25d-1·(w2-d2)
7. Контрольные вопросы
1. Углеродные нанотрубки как новая аллотропная форма углерода. Расскажите об основных свойствах углеродных нанотрубок.
2. Расскажите об особенностях сканирования слабо закрепленных объектов на поверхности.
3. Назовите особенности изображения низкоразмерных структур в сканирующем силовом микроскопе.
8. Литература
1. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике. М.: Техносфера. 2005. 148 с.
2. Kroto H.W., Heath J.R., O’Brein S.C., Curl R.F., Smalley R.I. С60: Buckminsterfullerene // Nature. 1985. Vol. 318. P. 162-163.
3. Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon // Nature. 1991. Vol. 354. P. 56-58.
4. Косаковская З.Я, Чернозатонский Л.А., Федоров Е.А. Нановолоконная углеродная структура // Письма в ЖЭТФ. 1992. Том. 56. Вып. 1. С.26-30.
5. Харрис П. Углеродные нанотрубки и родственные структуры. Новые материалы XXI века. М.: Техносфера. 2003. 336 с.
6. Carbon nanotubes: synthesis, structure, properties and applications (Topics in applied physics). Dresselhaus M.S., Dresselhaus G., Avouris Ph. (eds.) // Springer-Verlag: Berlin. 2001. 448 p.
7. Volodin A., Ahlskog M., Seynaeve E., Van Haesendonck C., Fonseca A., and Nady J.B. Imaging the elastical properties of coiled carbon nanotubes with atomic force microscopy // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 84. N. 15. P. 3342-3345.
8. Dai H., Hafner J.H., Rinzler A.G., Colbert D.T., Smalley R.E. Nanotubes as nanoprobes in scanning probe microscopy // Nature. 1996. Vol. 384. N. 6605. P. 147-150.
9. Haesendonck C. V., Stockman L.,. Vullers R.J.M. et al. Nanowire bonding with the scanning tunneling microscope // Surface Science. 1997.V. 386. P. 279–289.
10. Hertel T., Walkup R.E., Avouris Ph. Deformation of carbon nanotubes by surface van-der-Waals forces. Phys. Rev. B. 1998. Vol. 58. N. 20. P.13870-13874.
доктор технических наук Золотухин И. В.