Основы сканирующей зондовой микроскопии

Учебник "Основы сканирующей зондовой микроскопии" был написан в 2004 году. Есть несколько PDF версий для свободного доступа:

Английский:  Fundamentals of scanning probe microscopy 

Русский: Основы сканирующей зондовой микроскопии 

Итальянский:   Fondamenti di microscopia a scansione di sonda

Я выражаю свою благодарность профессору Giacomo Torzo (университет Padova) за помощь в переводе и компании  "НТ-МДТ" за поддержку издательского проекта.
 
 

 
 

  

 

     Kazakh textbook
Scanning Probe Microscopy



Основы сканирующей зондовой микроскопии

 

Содержание

 

Предисловие автора

Введение

1. Техника сканирующей зондовой микроскопии

1.1. Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов

1.2. Сканирующие элементы (сканеры) зондовых микроскопов

1.3. Устройства для прецизионных перемещений зонда и образца

1.4. Защита зондовых микроскопов от внешних воздействий

1.5. Формирование и обработка СЗМ изображений

2. Методы сканирующей зондовой микроскопии

2.1. Сканирующая туннельная микроскопия

2.2. Атомно-силовая микроскопия

2.3. Электросиловая микроскопия

2.4. Магнитно-силовая микроскопия

2.5. Ближнепольная оптическая микроскопия

Заключение

Основные этапы развития СЗМ

Литература

 

Предисловие автора

 

     Данное учебное пособие написано на основе курса лекций, прочитанного автором в 2002 – 2003 г. студентам старших курсов радиофизического факультета и факультета "Высшая школа общей и прикладной физики" Нижегородского государственного университета. Одной из причин для его написания послужило практически полное отсутствие учебной литературы по методам сканирующей зондовой микроскопии на русском языке. При большом количестве учебной литературы на английском языке (здесь, прежде всего, хочется упомянуть прекрасную книгу Д.Сарида [1], которая частично была использована при составлении данного пособия) на сегодняшний день известно лишь несколько отечественных работ обзорного характера [2-8], которые могут быть использованы в целях обучения студентов. Наиболее близко учебным целям отвечают пособие, изданное в БашГу [11], и материалы на интернет-сайтах [12,13].

     Пособие было написано в короткие сроки (фактически за два месяца) по заказу компании "НТ-МДТ" (г. Зеленоград), производящей сканирующие зондовые микроскопы для научных исследований и специальные СЗМ комплексы для обучения студентов методам зондовой микроскопии. Возможно, в силу столь малого срока, отведенного для написания, данная книга содержит недостатки. Буду признателен каждому, кто сообщит о замеченных ошибках, неточностях и других возможных недостатках.

     Написание данного пособия, во многом, было стимулировано директором Института физики микроструктур РАН, членом-корреспондентом РАН С. В. Гапоновым. Пользуясь случаем, выражаю благодарность сотрудникам ИФМ РАН Д. Г. Волгунову, С. А. Трескову и О. Г. Удалову за многочисленные плодотворные обсуждения; В. Н. Рябоконю ("НТ-МДТ") за критическое и конструктивное рецензирование данной работы; Г.В.Мироновой за тщательную корректуру рукописи. Выражаю также свою искреннюю благодарность компании "НТ-МДТ" (г. Зеленоград), особенно В. А. Быкову и А. В. Быкову, за идейную и материальную поддержку издательского проекта.

 

В.Л.Миронов,   Ноябрь 2004

 

 

Основные этапы развития СЗМ

 

1981 - Сканирующая туннельная микроскопия. G.Binnig H Rohrer.
Атомарное разрешение на проводящих образцах.
1982 – Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп. D.W.Pohl.
Разрешение 50 нм в оптическом изображении поверхности.
1984 – Сканирующий емкостной микроскоп. J.R.Matey, J.Blanc.
Реализовано разрешение 500 нм в емкостном изображении.
1985 – Сканирующий тепловой микроскоп. C.C.Williams, H.K.Wickramasinghe.
Разрешение 50 нм в тепловом изображении поверхности.
1986 – Атомно-силовой микроскоп. G.Binnig, C.F.Quate, Ch.Gerber.
Атомарное разрешение на непроводящих (и проводящих) образцах.
1987 – Магнитно-силовой микроскоп. Y.Martin, H.K.Wickramasinghe.
Разрешение 100 нм в магнитном изображении поверхности.
- Микроскоп на силах трения. C.M.Mate, G.M.McClelland, S.Chiang.
Изображение латеральных сил на атомных масштабах.
- Электросиловой микроскоп. Y.Martin, D.W.Abraham, H.K.Wickramasinghe.
Детектирование единичных зарядов на поверхности образцов.
- Неупругая туннельная СТМ спектроскопия. D.P.E.Smith, D.Kirk, C.F.Quare.
Регистрация фононных спектров молекул в СТМ.
1988 – Микроскоп на основе баллистической эмиссии электронов. W.J.Kaiser.
Исследование барьеров Шоттки с нанометровым разрешением.
- Инвертированный фотоэмиссионный микроскоп.
J.H.Coombs, J.K.Gimzewski, B.Reihl J.K.Sass, R.R.Schlittler
Регистрация спектров люминесценции на нанометровых масштабах.
1989 – Ближнепольный акустический микроскоп.
K.Takata, T.Hasegawa, S.Hosaka, S.Hosoki. T.Komoda
Низкочастотные акустические измерения с разрешением 10 нм.
- Сканирующий шумовой микроскоп. R.Moller A.Esslinger, B.Koslowski.
Регистрация туннельного тока без приложения напряжения.
- Сканирующий микроскоп, регистрирующий прецессию спина.
Y.Manassen, R.Hamers, J.Demuth, A.Castellano.
Визуализация спинов в парамагнетике с разрешением 1 нм.
- Сканирующий микроскоп на ионной проводимости.
P.Hansma, B.Drake, O.Marti, S.Gould, C.Prater.
Получение изображения поверхности в электролите с разрешением 500 нм.
- Сканирующий электрохимический микроскоп.
O.E.Husser, D.H.Craston, A.J.Bard.
1990 – Микроскоп, регистрирующий изменения химического потенциала.
C.C.Williams, H.K. Wickramasinghe
- СТМ, регистрирующий фото-э.д.с. R.J.Hamers, K.Markert.
Регистрация распределения фото-э.д.с с нанометровым резрешением.
1991 – Сканирующий зондовый микроскоп на методе Кельвина.
N.Nonnenmacher, M.P.O’Boyle, H.K.Wickramasinghe.
Измерения поверхностного потенциала с разрешением 10 нм.
1994 – Безапертурный ближнепольный оптический микроскоп.
F.Zenhausern, M.P.O’Boyle, H.K.Wickramasinghe.
Оптическая микроскопия с разрешением 1 нм.

 

 

Литература

  1. D.Sarid - "Exploring scanning probe microscopy with "Mathematica"",John Wiley& Sons, Inc., New York, 1997, 262 p.
  2. В.И.Панов – Сканирующая туннельная микроскопия и спектроскопия поверхности. // УФН, т.155, № 1, с.155 – 158 (1988).
  3. В.С.Эдельман – Сканирующая туннельная микроскопия. // Приборы и техника эксперимента, № 5, с. 25 – 49 (1989).
  4. В.С.Эдельман – Развитие сканирующей туннельной и силовой микроскопии. // Приборы и техника эксперимента, № 1, с. 24 – 42 (1991).
  5. С.Н.Магонов – Сканирующая силовая микроскопия полимеров и родственных материалов. // Высокомолекулярные соединения, т. 38, № 1, с. 143 – 182 (1996).
  6. В.А.Быков, М.И.Лазарев, С.А.Саунин - Сканирующая зондовая микроскопия для науки и промышленности. // “Электроника: наука, технология, бизнес”, № 5, с. 7 – 14 (1997).
  7. "Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров" (Под редакцией И.В.Яминского), М.: Научный мир, 1997, 86 с.
  8. А.П.Володин – Новое в сканирующей микроскопии. // Приборы и техника эксперимента, № 6, с. 3 – 42 (1998).
  9. В.К.Неволин - "Основы туннельно-зондовой нанотехнологии: Учебное пособие", Москва, МГИЭТ (ТУ), 1996, 91 с.
  10. С.А.Рыков - "Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур", СПБ, Наука, 2001, 53 с.
  11. Р.З.Бахтизин, Р.Р.Галлямов - "Физические основы сканирующей зондовой микроскопии", Уфа, РИО БашГУ, 2003, 82с.
  12. Интернет-сайт компании "НТ-МДТ": http://www.ntmdt.ru/
  13. Интернет-сайт учебно-научного центра "Бионаноскопия": http://www.nanoscopy.org/
  14. G.Binnig, H.Rohrer - Scanning tunneling microscopy. // Helv. Phys. Acta, v. 55, № 6, p. 726 – 735 (1982).
  15. G.Binnig, H.Rohrer, Ch.Gerber, E.Weibel - Tunneling through a controllable vacuum gap. // Appl. Phys. Lett., v. 40, p. 178 (1982).
  16. "Ультразвук. Маленькая энциклопедия". (Под ред. И.П.Голямина) // М.: "Советская энциклопедия", 1979, 400 с.
  17. P.M.Williams, K.M.Shakesheff et al. – Blind reconstruction of scanning probe image data. // J. Vac. Sci. Technol. B 14 (2) p. 1557-1562 (1996).
  18. А.А.Бухараев, Н.В.Бердунов, Д.В.Овчинников, К.М.Салихов – ССМ метрология микро- и наноструктур. // Микроэлектроника, т. 26, № 3, с. 163 -175 (1997).
  19. Д.И.Блохинцев – "Основы квантовой механики", Москва, "Наука", 1983 г.
  20. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц – "Теоретическая физика том 3 - Квантовая механика", М.: "Физматлит", 2001, 804 с.
  21. J.G.Simons – Generalized formula for the electric tunnel effect between similar electrodes separated by a thin insulating film // J. Appl. Phys., 34, 1793 (1963).
  22. J.G.Simons –Electric tunnel effect between dissimilar electrodes separated by a thin insulating film // J. Appl. Phys., 34, 2581 (1963).
  23. J. Tersoff and D. R. Hamann – Theory and application for scanning tunneling microscope. // Phys. Rev. Lett. v. 50, p. 1998-2001 (1983).
  24. J. Tersoff and D. R. Hamann - Theory of the scanning tunneling microscope. // Phys. Rev. B, v. 31 (2), 805-813 (1985).
  25. J. Tersoff – Method for the calculation of scanning tunneling microscope images and spectra. // Phys. Rev. B, v. 40 (17), 11990-11993 (1989).
  26. Г.Е.Пикус – "Основы теории полупроводниковых приборов", М.: Наука, 1965, 448 с.
  27. C.B.Duke - "Tunneling in solids", Academic Press, New York, 1969, 353 р.
  28. "Туннельные явления в твердых телах" под ред. Э.Бурнштейна и С.Лундквиста. Москва, Мир, 1973, 422 с.
  29. R.M.Feenstra, V.Ramachandran, H.Chen – Recent development in scanning tunneling spectroscopy of semiconductor surfaces. // Appl. Phys., A 72, p. 193 – 199 (2001).
  30. А.Роуз-Инс, Е.Редерик – "Введение в физику сверхпроводимости", М.: Мир, 1972, 272 с.
  31. G.Binnig, C.F.Quate, Ch.Gerber – Atomic force microscope. // Phys. Rev. Lett., v. 56, № 9, p. 930 – 933 (1986).
  32. Ю.С.Бараш - "Силы Ван-дер-Ваальса", М: "Наука", 1988, 344 с.
  33. M.Saint Jean, S.Hudlet, C.Guthmann, J.Berger – Van der Waals and capacitive forces in atomic force microscopies. // J. Appl. Phys., v. 86 (9), p. 5245 – 5248 (1999).
  34. И.А.Биргер, Б.Ф.Шорр, Г.Б.Иосилевич – Расчет на прочность деталей машин. // М.: Машиностроение, 1979, 702 с.
  35. S.N.Magonov, V.Elings, M.-H.Whangbo – Phase imaging and stiffness in tapping-mode atomic force microscopy. // Surf. Sci., 375, L385 – L391 (1997).
  36. J.P.Cleveland, B.Anczykowski, A.E.Schmid, V.B.Elings – Energy dissipation in tappingmode atomic force microscopy. // Appl. Phys. Lett. V. 72 (20), 2613 – 2615 (1998).
  37. J.Tamayo, R.Garcia – Relationship between phase shift and energy dissipation in tapping-mode atomic force microscopy. // Appl. Phys. Lett. V. 73 (20), 2926 – 2928 (1998).
  38. J.Tamayo - Energy dissipation in tapping-mode atomic force microscopy with low quality factors. // Appl. Phys. Lett. V. 75 (22), 3569 – 3571 (1999).
  39. J.R.Matey, J.Blanc – Scanning capacitance microscopy. // J. Appl. Phys., v. 57, № 5, p. 1437 – 1444 (1985).
  40. M.Nonnenmacher, M.P.O’Boyle, H.K.Wikramasinghe – Keivin probe force microscopy. // Appl. Phys. Lett., 58 (25), 2921 – 2923 (1991).
  41. B. Stiller, P. Karageorgiev, et al. - Scanning Kelvin microscopy as a tool for visualization of optically induced molecular switching in azobenzene self assembling films. // Surf. Interface Anal. 30, 549-551, (2000).
  42. Y. Martin and H. K. Wickramasinghe - Magnetic imaging by ''force microscopy'' with 1000 Å resolution. // Appl. Phys. Lett. v. 50, № 20, p. 1455-1457 (1987).
  43. D.Rugar, H.Mamin, P.Guethner et al. – Magnetic force microscopy: General principles and application to longitudinal recording media. // J. Appl. Phys., v. 68, № 3, p.1169 – 1182 (1990).
  44. И.Е.Тамм – "Основы теории электричества", М.: "Наука", 1976, 616 с.
  45. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц - "Теоретическая физика том 2 – Теория поля", М.: "Наука", 1973, 504 с.
  46. A.M. Алексеев, Ю.В.Веревкин, Н.В.Востоков, В.Н.Петряков, Н.И.Полушкин, А.Ф.Попков, Н.Н.Салащенко – Наблюдение лазерно-индуцированных локальных модификаций магнитного порядка в слоях переходных металлов // Письма в ЖЭТФ, 73, 214 (2001).
  47. D.W.Pohl, W.Denk, M.Lanz – Optical spectroscopy: image recording with resolution λ/20. // Appl. Phys. Lett., v. 44, p. 651 – 653 (1984).
  48. U.Durig, D.W.Pohl, F.Rohrer – Near-field optical-scanning microscopy. J.Appl. Phys. 59 (10) 3318-3327, 1986.
  49. В.Ф.Дряхлушин, А.Ю.Климов, В.В.Рогов, С.А.Гусев – Зонд сканирующего ближнепольного оптического микроскопа. // Приборы и техника эксперимента, № 2, с. 138-139 (1998).
  50. P.K.Wei, W.S.Fann – The probe dynamics under shear force in near-field scanning optical microscopy. // J. Appl. Phys., v. 83, № 7, p. 3461 – 3468 (1998).
  51. D.G.Volgunov, A.V.Buryukov, S.V.Gaponov, V.L.Mironov - Probe - surface interaction in the piezo-resonator "shear force" microscope. // Physics of Low – Dimensional Structures, № 3/4, p. 17-23 (2001).
  52. D.Courjon, C.Bainier – Near field microscopy and near field optics. Rep. Prog. Phys. 57, p. 989 – 1028, (1994).
  53. H.K.Wickramasinghe – Progress in scanning probe microscopy. // Acta materialia, 48, p. 347-358 (2000).