КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА на тему: ЭЛЕКТРО-СИЛОВАЯ И МАГНИТНО- СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ. БЛИЖНЕПОЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ Специальность: Электроника и наноэлектроника Группа: 504, ЭиНЭ, з/о Выполнил: Тимкаев Р.А. Проверила: Байнева И.И. 1

История В 1987 г. И.Мартин и К.Викрамасингх предложили усовершенствовать атомно- силовой микроскоп с тем, чтобы проводить исследования магнитных свойств поверхности твердых тел. В качестве зондирующего острия использовалась микроигла из ферромагнитного материала. Новый прибор получил название «магнитно- силовой микроскоп» 2

Электросиловая микроскопия (ЭСМ) – специальный режим атомно-силовой микроскопии (АСМ), позволяющий получать информацию о градиенте электрического поля над поверхностью образца, а также о величине и знаке локализованных на ней зарядов. ЭСМ может применяться для проверки качества контактов и поиска дефектов в электрических схемах, обнаружения связанных зарядов, чтения и записи информации посредством изменения расположения зарядов на поверхности. В данном изображении режим ЭСМ использован для наблюдения особенностей отдельных наночастиц. ЭЛЕКТРОСИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ 3

В электросиловой микроскопии для получения информации о локальных электрических свойствах поверхности используется электрическое взаимодействие между зондом и образцом. 4

Принцип работы электросиловой микроскопии 5

ПрименениеЭСМ Применение ЭСМ 6 В настоящее время электронно- силовые микроскопы нашли применение практически во всех областях науки. В физике, химии, биологии, геологии используют в качестве инструмента исследования ЭСМ. В частности, такие междисциплинарные науки, как материаловедение, биохимия, фармацевтика, нанотехнологии, физика и химия поверхности, электрохимия, исследование коррозии, электроника, фотохимия и многие другие. Перспективным направлением считается совмещение электронно- силовых микроскопов с другими традиционными и современными методами исследований, а также создание принципиально новых приборов. Например, совмещение ЭСМ с оптическими микроскопами (традиционными и конфокальными микроскопами), сканирующими зондовыми микроскопами, спектрометрами и т.д.

7

Магнитно-силовой микроскоп 8 Для МСМ свойствами поверхности являются магнитные свойства, а силой взаимодействия между намагниченным зондом (иглой) и магнитным образцом – магнитная сила.

Устройство МСМ 9 Схематическое изображение магнитно-силового микроскопа. Магнитно-силовой микроскоп устроен следующим образом. Микромагнит в виде заостренной иглы перемещают вблизи поверхности образца, регистрируя силы взаимодействия с образцом. Для перемещения острия относительно исследуемой поверхности используется прецизионный трехкоординатный микроманипулятор. Зондирующее острие располагают на упругой микроминиатюрной консоли (кантилевере), по изгибу которой, регистрируемому, например, с помощью оптической системы, можно определять силу взаимодействия между острием и поверхностью.

10 В магнитно-силовом микроскопе при сканировании образца игла проходит по одному и тому же месту дважды. Первый раз она движется по поверхности образца в контакте с ним, при этом компьютер запоминает ее траекторию, которая в этом случае соответствует профилю исследуемой поверхности.

Второй раз микро консоль проходит по той же траектории над тем же участком поверхности, но на некотором удалении от нее. При таком движении на иглу, расположенную на микро консоли, действуют уже не контактные силы, как в первом случае. Если иглу отвести на расстояние 1050 нм, то универсальное ван-дер- ваальсово притяжение затухает и остаются только более дальнодействующие магнитные силы, так что отклонение иглы от заранее обусловленной траектории будет определяться именно магнитными свойствами образца. 11

(г) – МСМ изображение распределения силы взаимодействия зонда с поверхностью МСМ исследования поверхности магнитного диска 12 (а) – АСМ изображение рельефа поверхности (б) – МСМ изображение фазового контраста (в) – МСМ изображение амплитудного контраста

ПрименениеМСМ Применение МСМ 13

14 Так же магнитно-силовой микроскоп позволяет изучать доменную структуру отдельных кластеров размером 200 х 400 нм. Магнитно- силовой микроскоп можно использовать для магнитной сверхплотной записи информации. Плотность такой записи на несколько порядков превышает плотность записи информации на современных винчестерах и магнитооптических дисках, широко применяемых в компьютерах. Магнитные изображение кобальтовых нанокластеров. У кластеров большего размера (слева) – многодоменная структура, меньшего размера (справа) – однодоменная.

Ближнепольная оптическая микроскопия (БОМ) Оптическая микроскопия, обеспечивающая разрешение лучшее, чем у обычного оптического микроскопа. 15

История раз вития теории БОМ Сингом (E.H. Synge) была предложена теория БОМ Эшем (E.A. Ash) в опытах с микроволнами было получено её первое подтверждение Дитером Полем (лаборатория фирмы IBM, г. Цюрих, Швейцария) был изобретен ближнепольный оптический микроскоп (БОМ) (сразу вслед за изобретением туннельного микроскопа). 16

Основные узлы БОМ Микрообъектив, работающий в отраженном свете; Микрообъектив, работающий в проходящем свете; Пьезодвижитель для перемещения зонда с апертурой D < λ и <250 нм; Зонд; Лазер; Сканер с возможностью перемещения стола в системах координат: Х-У-Z, Х, У; 17

Теория и принцип работы БОМ 18 Принцип работы БОМ, как и других сканирующих зондовых микроскопов, заключается в сканировании поверхности образца источником (или приемником) оптического излучения с размерами, много меньшими длины волны света, на малом расстоянии от поверхности (в ближней зоне излучения). Если в качестве зонда взять миниатюрную диафрагму с отверстием в несколько нанометров - апертуру, то в соответствии с законами волновой оптики, видимый свет (с длиной волны несколько сот нанометров) проникает в такое маленькое отверстие, но не далеко, а на расстояние, сопоставимое с размерами отверстия. Если в пределах этого расстояния, в так называемом «ближнем поле», поставить образец, рассеянный от него свет будет регистрироваться. Перемещая диафрагму в непосредственной близости от образца, как в туннельном микроскопе, получим растровое изображение поверхности.

ВИДЫ ЗОНДОВ 1. Зонды БОМ на основе оптического волокна Наиболее перспективным и широко распространенным является зонд на основе адиабатический суженного одномодового оптического волокна, покрытого тонкой металлической пленкой и имеющего малую апертуру на его острие. 3. Другой вариант зонда БОМ, используемый в настоящее время, изготавливается на основе кремниевого кантилевера (конструкция микромеханического зонда) для АСМ.

Датчик БОМ 20

Сравнение БОМ и ЭМ На данном этапе раз вития техники БОМ конкурируют с электронными микроскопами и имеют свои преимущества и недостатки. 21

Преимущества БОМ: 1. Световой работает как в воздухе, так и в жидкости и в вакууме, в отличие от ЭМ, работающего только в вакууме. 2. Субстрат может быть живой (клетки) или не живой, в отличие от ЭМ, в котором используется только не живой, так как процесс проводится в вакууме. 3. Изображение – цветное 4. БОМ значительно меньше по размерам, проще и дешевле Недостатки БОМ: 1. Так как размер электрона намного меньше длины волны света, то разрешающая способность электронного микроскопа на несколько порядков больше чем у светового. Разрешающая способность светового микроскопа ограничена длиной световых волн. 2. Увеличение ЭМ больше, чем у БОМ. 22

Применение БОМ Дополнительные возможности БОМ Возможность проводить измерения в жидкости Лазерный конфокальный сканирующий микроскоп/спектроскоп 23 Уступая ЭСМ и МСМ в разрешении, БОМ имеет свою область применения в научных исследованиях. Кроме получения оптического изображения с высоким разрешением, это прежде всего локальная оптическая спектроскопия микроэлектронных, микробиологических и полупроводниковых объектов и модификация поверхности для сверхплотной записи информации и нанолитографии. Так же используется для: Исследования биологических объектов Контроля качества поверхностей оптических деталей Излучающих полупроводниковых структур Исследования характеристик нано оптических и интегрально-оптических элементов Исследования характеристик наноэлектронных элементов, в частности, спектров квантовых точек

Общий вид БОМ 24

Тест 1. Для чего может применяться ЭСМ? а) Для оценки результатов очистки памятников б) Для длительного изменения температуры в) Для проверки качества контактов и поиска дефектов в электрических схемах г) Для исследования биологических объектов 2. Для чего используются МСМ? а) Они нужны для того, чтобы стирать информацию с жестких дисков в) Для обнаружения связанных зарядов б) Для контроля качества поверхностей оптических деталей г) Для несанкционированного получения информации 3. С какой целью применяются БОМ? а) Для чтения и записи информации посредством изменения расположения зарядов на поверхности б) Для излучающих полупроводниковых структур в) Для диагностики магнитных характеристик рабочих поверхностей накопителей информации с субмикронным расширением г) Для получения информации о градиенте электрического поля 4. Сколько раз проходит игла в МСМ при сканировании образца? а) Один раз в) Трижды б) Дваждыг) Четырежды 25

Контрольные вопросы 1. Что такое электро-силовая микроскопия? 2. Назовите свойства поверхности и силу взаимодействия для магнитно-силовой микроскопии 3. В каком году и кем был изобретен ближнепольный оптический микроскоп? 4. В чем преимущества ближнепольного оптического микроскопа от электромагнитного? 5. Что используется для получения информации о локальных электрических свойствах поверхности в электросиловой микроскопии? 6. Что позволяет изучать магнитно-силовой микроскоп? 26

27