Стандарты и артефакты атомно-силовой микроскопии
ВВЕДЕНИЕ
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) широко используется при исследовании рельефа поверхности с разрешением до атомарного. Её можно использовать как на воздухе при атмосферном давлении, так и в жидкостях; можно изучать проводники и диэлектрики, полимерные материалы. Эти возможности АСМ позволяют в промышленных лабораториях диагностировать практически любой материал – измерения могут проводиться на участках сканирования от десятка нм до 150 мкм [1].
В современном мире нанотехнологии имеют большой вес во многих областях: в медицине, в машино-, авиа-, кораблестроении, при создании другой различной техники. И для контроля результатов нанотехнологий АСМ является одним из самых востребованных методов [2].
Цель данной работы – на примере гибридных структур полупроводник - органическое покрытие с нанорельефной поверхностью показать возможности АСМ и провести анализ их морфологии с учетом возможных артефактов измерения.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ3
1 Теоретическая часть4
1.1 Атомно-силовая микроскопия – один их основных методов нанометрологии4
1.2 Применение атомно-силовой микроскопии для нанотехнологий5
1.3 Принцип действия атомно-силового микроскопа5
1.4 Стандартизация атомно-силовых измерений13
1.5 Артефакты атомно-силовой микроскопии17
1.6 Применение атомно-силовой микроскопии28
2 Практическая часть38
2.1 Описание лабораторных образцов38
2.2 Микроскоп NANOEDUCATOR I компании НТ-МДТ (Москва, Зеленоград)38
2.3 Методика обработки изображений с помощью программного обеспечения Gwyddion41
2.4 Проведение калибровки42
2.5 Методика измерений эффективной высоты шероховатости поверхности с помощью сканирующего зондового атомно-силового микроскопа43
2.5 Результаты измерений45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ54
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Андреева, Н.В. Экспериментальные методы исследования. Методики тунельной и атомно-силовой микроскопии : учебное пособие для студентов вузов / Н.В. Андреева [ и др.]. – СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2015. – 104 с.
Дроздов, О.И. Сканирующая зондовая микроскопия в нанометрологии / О. И. Дроздов [ и др.] // Современные материалы, техника и технологии. – 2019 – № 2(23). – С. 91-97.
Сергеев, А. Г. Введение в нанометрологию / А. Г. Сергеев. –Владимир : Изд-во Владим. гос. ун-та, 2010. – 296 с.
Се, X. Н. Nanoscale materials patterning and engineering by atomic force microscopy nanolithography/ Се, X. Н. – Singapore : Materials Science & Engineering R-reports, – 2006. – V. 54. – P. 1–48 .
Миронов, В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии : учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений / В. Л. Миронов. – Нижний Новгород : НРАНИФМ, 2004. – 114 с.Асеев, В. А. Приборы и методы исследования наноматериалов фотоники / В. А. Асеев. – СПб. : Изд-во ун-та ИТМО, 2015. – 130 с.
Морозов, И. А. Современные проблемы механики. Теория и практика атомно-силовой микроскопии / И. А. Морозов. – Пермь : ПГНИУ, 2020. – 108 с.
ГОСТ 8.591-2009 Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки (Переиздание). – М : Стандартинформ, 2019. – 15 с.
ГОСТ 8.592-2009 Меры реальефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния. Требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления. – М : Стандартинформ, 2019. – 10 с.
ГОСТ 8.593-2009 Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые. Методика поверки (Переиздание). – М : Стандартинформ, 2019. – 11 с.
Анализ профиля поверхности методами атомно-силовой микроскопии [Электронный ресурс] // Кафедра физической электроники [Электронный ресурс] : [сайт]. – URL: http://physelec.phys.msu.ru/files/practice/AFM.pdf (дата обращения: 26.05.2022). – Загл. с экрана. – Яз. рус.
Инструментальные артефакты – искажения изображений, которые вносятся от составляющих прибора. Два основных конструктивных элемента микроскопа – сканер и зонд – служат основными источниками инструментальных артефактов. Кроме того, искажают изображения механические вибрации и акустические шумы. Дают свой вклад и электронные компоненты прибора. Эти проблемы учитываются производителями при конструировании приборов. К ним относятся:
Нелинейность сканера. Реальная зависимость относительного удлинения (S) сканера от подаваемого напряжения (E) отличается от идеальной линейной характеристики. В плоскости XY нелинейность проявляется в неравномерности шага сканирования. В Z - направлении она приводит к погрешностям при измерении высоты микрорельефа поверхности.