Электро-силовая микроскопия

Электро-силовая микроскопия представляет собой специальный режим атомно-силовой микроскопии, позволяющий получать информацию о градиенте электрического поля над поверхностью образца, а также о величине и знаке локализованных на ней зарядов. Электро-силовой микроскоп (ЭСМ) может применяться для проверки качества контактов и поиска дефектов в электрических схемах, обнаружения связанных зарядов, чтения и записи информации посредством измерения расположения зарядов на поверхности.

В ЭСМ для получения информации о свойствах поверхности используется электрическое взаимодействие между зондом и образцом. Если образец и кантилевер изготовлены из электропроводящего материала, то при приложении между ними напряжения, содержащего переменную составляющую, кантилевер будет колебаться. Частота колебаний кантилевера будет зависеть от емкости между зондом и образцом, а также от потенциала в точке на поверхности образца, находящейся в данный момент под зондом. Электро-силовая микроскопия включает в себя емкостную микроскопию и микроскопию электрического потенциала (режим Кельвина).

Рис. 1.46. Схема измерения электрического взаимодействия зонда с образцом

Емкость системы кантилевер-образец складывается из двух емкостей, включенных последовательно, а именно, емкости зазора, зависящей от расстояния между зондом и образцом, и поверхностной емкости. Поскольку величина емкости зависит от расстояния между зондом и образцом, для исследования диэлектрических свойств образцов применяется двухпроходная методика, аналогичная той, что используется в магнитно-силовой микроскопии. На первом проходе с помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте, близкой к резонансной частоте ω₀, и снимается АСМ-изображение рельефа в полуконтактном режиме. Затем зондовый датчик отводится от поверхности на расстояние z₀, между зондом и образцом подается переменное напряжение с частотой ω = ω₀, после чего осуществляется повторное сканирование. На втором проходе датчик движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца. Поскольку в процессе сканирования локальное расстояние между зондовым датчиком и поверхностью в каждой точке постоянно, то изменения амплитуды колебаний кантилевера на частоте 2ω будут связаны с изменением емкости системы зонд-образец вследствие изменения диэлектрических свойств образца.

Детектирование сигнала на частоте ω позволяет изучать распределение поверхностного потенциала φ(x,y) (режим Кельвина ). Для этого при сканировании образца на втором проходе в каждой точке производится следующая процедура. С помощью перестраиваемого источника постоянного напряжения подбирается величина U₀ таким образом, чтобы амплитуда колебаний кантилевера на частоте ω становилась равной нулю. Это происходит в том случае, если в данной точке поверхности выполняется условие U₀ = φ(x,y). На рис. 1.47 в качестве примера приведены АСМ-изображение рельефа поверхности и распределение поверхностного потенциала для композитной пленки, содержащей азобензол. На изображении поверхностного потенциала выделяются молекулы азобензола, имеющие сильный дипольный момент.

а) б)

Рис. 1.47. Рельеф поверхности пленки азобензола (а) и распределение поверхностного потенциала (б)

Режим емкостной микроскопии применяется для изучения емкостных свойств поверхности образцов, в частности можно регистрировать распределение легирующей электроактивной примеси в полупроводнике, от которой напрямую зависит глубина обедненного слоя. Для эффективности работы методики средняя величина шероховатости рельефа поверхности образца должна быть меньше радиуса кривизны острия зонда. Режим Кельвина используется в основном для исследования поверхностей материалов, имеющих области с различными поверхностными потенциалами. Используя данную методику, можно регистрировать распределение зарядов на элементах поверхности, измерять и анализировать неоднородные заряженные области, определять работу выхода электронов.