| Les microscopes de Balayage de sonde (SPMs) sont des instruments qui mesurent des propriétés des surfaces. Ils comprennent les microscopes atomiques de force (AFMs) et les microscopes de perçage d'un tunnel de lecture (STMs). Dans leurs premières applications, SPMs ont été utilisés principalement pour mesurer la topographie 3D extérieure et, bien qu'ils puissent maintenant être utilisés pour mesurer beaucoup d'autres propriétés extérieures, c'est toujours leur première application. SPMs sont les la plupart des puissants outils de notre heure pour la métrologie extérieure, mesurant les caractéristiques techniques extérieures dont les cotes s'échelonnent de l'écartement interatomique à un dixième d'un mm. La principale caractéristique que tout le SPMs ont en commun est que les mesures sont exécutées avec une sonde tranchante fonctionnant dans le champ proche, c.-à-d., balayant au-dessus de la surface tout en mettant à jour un écartement très proche sur la surface. Ces instruments, particulièrement STM, étaient les premiers pour produire des images du réel-espace des arrangements atomiques sur des surfaces planes. SPMs sont maintenant le plus utilisé généralement pour exécuter des mesures très précises et tridimensionnelles sur l'échelle de Ångstrom-à-Micromètre. Comparaison du Tableau 1. et les caractéristiques des microscopes communs. | | | | | | Profondeur de Zone | Petit | Grand | Support | | Profondeur de Foyer | Support | Grand | Petit | | Définition : X, Y | 1.0μm | 5nm | 2-10nm pour l'AFM
0.1nm pour le STM | | Définition : Z | Non-déterminé | Non-déterminé | 0.05nm | | Agrandissement Pertinent | 1X - 2x103X | 10X - 106X | 5x102X - 108X | | Condition de Préparation des échantillons | Peu | Peu à la partie essentielle | Peu ou aucun | | Caractéristiques requises pour l'échantillon | L'Échantillon ne doit pas être complet transparent pour allumer la longueur d'onde utilisée | La Surface ne doit pas accumuler la charge et doit être aspirateur compatible | L'Échantillon ne doit pas avoir des variations locales du μm extérieur de la hauteur >10 | Les SEM *Environmental fonctionnent à l'eV à haute pression et faible, mais la définition est sacrifiée. Jusqu'aux années 1980, les chercheurs avaient compté sur d'autres instruments pour la représentation et mesurer la morphologie des surfaces. Maintenant en existence pendant plus de deux décennies, SPMs sont l'entrée la plus neuve dans le domaine extérieur de métrologie. Par opposition aux microscopes et aux microscopes électroniques optiques (SEM, TEMs), mesure de SPMs apprête dans chacune des trois cotes : X, Y, et Z. Comme des SEM, l'image de SPMs et mesurent la surface de l'échantillon. La définition topographique de X et de Y pour la plupart de SPMs, y compris AFMs, est en général 2 à 10 nanomètres (la définition de STM peut être aussi bonne que 0.1nm). La définition de Z est au sujet de 0.1nm pour un AFM ou un STM bien conçu. Il est le plus facile utiliser les microscopes Optiques et le SPMs, avec peu ou pas de préparation des échantillons et aucun aspirateur exigés. Les microscopes Optiques et les SEM peuvent avoir de plus grands champs de vision, mais SPMs fournissent les agrandissements et la définition les plus élevés dans 3D. En Outre seulement travail de SPMs sur la plupart des échantillons avec la préparation des échantillons minimale. Bref Historique Le microscope de perçage d'un tunnel de lecture (STM) était la première technologie de SPM et a été décelé en tant qu'ayant la capacité atomique de définition en 1981. Le STM, en fait, fournit toujours la meilleure définition disponible (le Schéma 1). Le STM utilise le courant de perçage d'un tunnel entre l'extrémité et l'échantillon à l'image la surface témoin. Malheureusement, il y a quelques limitations, le plus significatif dont est que la surface de l'échantillon doit être des conducteurs ou des semi-conducteurs. Ceci limite les matériaux qui peuvent être étudiés. 
Le Schéma 1. image de STM affichant le défaut d'unique-atome dans le réseau d'adsorbant d'iode sur le platine. échographie 2.5nm. Cette limitation a mené à l'invention en 1986 du premier microscope atomique de force. Le premier AFM disponible dans le commerce, les Instruments de Digitals NanoScope® a été introduit en 1989. Comme le STM, l'AFM emploie également une extrémité très tranchante pour sonder et tracer la morphologie d'une surface. Cependant, dans l'AFM il n'y a aucune condition de mesurer un courant entre l'extrémité et l'échantillon. Dans ce cas, l'extrémité est à l'extrémité d'un encorbellement micro-fabriqué avec une constante faible de source. En contact le mode AFM, la première technique d'AFM, la force d'extrémité-échantillon est jugé fixe en mettant à jour une constante et un fléchissement très faible de l'en porte-à-faux, poussant l'extrémité contre l'échantillon. Cette force peut être de l'ordre des forces interatomiques en solides. Ensuite, nous décrivons les éléments de l'AFM, incluant comment le mouvement vertical de l'extrémité est trouvé et transformé dans des données topographiques. Composants De base d'AFM L'AFM de base est relativement simple dans le concept (Figure 2a). Son prédécesseur plus proche est le profileur de stylet. 
Le Schéma 2. (a) A Simplifié le tableau d'un AFM générique. Les Photos affichent des exemples (b) de SPM À plusieurs modes de fonctionnement, (c) la Cote 3100 SPM, et (d) système robotique entièrement automatisé de la Cote X3D pour des applications de semi-conducteur. La technologie d'AFM emploie des sondes plus pointues et des forces inférieures que des profileurs de stylet pour fournir des informations plus de haute résolution sans dégâts d'échantillon. Un AFM générique comporte les composants suivants : - Système de Lecture
- Sonde
- Capteur de Mouvement de Sonde
- L'Électronique de Contrôleur
- Isolement de Bruit
- Ordinateur
Système de Lecture La plupart de composante fondamentale de l'AFM et du coeur du microscope est le balayeur. Selon le design individuel, le balayeur peut balayer (mouvement) l'échantillon (Figure 2b, MultiMode™ SPM) si l'échantillon est assez petit, ou il peut balayer la sonde au-dessus d'un plus grand échantillon (Figure 2c, Dimension™ 3100 SPM). Pour accomplir la précision exigée, un balayeur piézoélectrique de tube est type utilisé afin de fournir le sous-Ångstrom contrôle de mouvement. Sonde Un Autre élément clé dans le système est la sonde. Comme mentionné ci-dessus, la sonde peut être stationnaire et l'échantillon peut être balayé sous lui ou la sonde peut être balayée au-dessus de l'échantillon. Avec la technologie sophistiquée d'aujourd'hui, l'extrémité/assemblages en porte-à-faux qui composent la sonde (le Schéma 3) peut être fabriquée en série avec des extrémités chronique formées et très tranchantes. Ces extrémités sont intégrées dans l'extrémité des encorbellements, qui ont un large éventail de propriétés conçues pour un grand choix d'applications. 
Le Schéma 3. micrographe de SEM d'une extrémité monocristalline corrodée d'AFM de silicium et d'extrémité/d'assemblage en porte-à-faux Capteur de Mouvement de Sonde Cet ensemble sent la force entre la sonde et l'échantillon et fournit un signe de correction à la partie de Z du balayeur piézoélectrique (Figure 2a) de maintenir la constante de force. Le design le plus commun pour ce fonctionnement est appelé le système optique de fléchissement de poutre, qui est le plus à faible bruit, le plus stable, et la plupart de système versatile disponible. Ce design utilise un faisceau laser brillant sur et se réfléchissant hors de l'arrière de l'encorbellement et sur une photodiode segmentée pour mesurer le mouvement de sonde. L'Électronique de Contrôleur Cet ensemble fournit l'interfaçage entre l'ordinateur, le système de lecture et le capteur de mouvement de sonde. Il accepte les tensions qui règlent le balayeur piézoélectrique, reçoit le signe du capteur de mouvement de sonde et contient les circuits de commande de contrôle par retour de l'information pour maintenir la force entre l'échantillon et la constante d'extrémité. Isolement de Bruit Pour réaliser le plus de haute résolution, le microscope doit être isolé dans le bruit dans ses environs. Il y a les systèmes très pertinents, pourtant simples pour isoler AFMs des vibrations d'étage et des sources de bruit acoustique, électrique et optique. Ordinateur En Conclusion, la microscopie de balayage de sonde et l'AFM ne seraient pas faisables sans disponibilité des PCs puissants et ultra-rapides pour piloter le système et pour traiter, afficher, et analyser la richesse des données produites. Applications/Techniques d'Exploration Dans sa vie courte, SPM a déjà ajouté beaucoup de variations au thème principal de perçage d'un tunnel de lecture. Une Fois Que l'AFM surmontait la limite sévère d'application de STM (la condition de conductivité d'échantillon), la variété de techniques et la gamme d'applications a commencé à répandre. Bien Que le mappage topographique soit toujours la demande dominante d'AFM (le Schéma 4), SPMs disponible dans le commerce maintenant en fournissez ou toutes les techniques suivantes : Microscopie de Balayage de Perçage D'un Tunnel La topographie de Balayage de mesures (STM) de Microscopie de Perçage D'un Tunnel utilisant le courant de perçage d'un tunnel entre l'extrémité de sonde et un échantillon conducteur apprêtent. 
Le Schéma 4. topographie Détaillée de trois défauts - deux protrusions et une dépression - dans un masque de photolithographie de déphasage. Une coupe transversale mesure le plus petit des deux protrusions (a) ~140nm à travers dans le plan de l'image. Le défaut de dépression (b) mesure moins que 6nm profondément. échographie de 1.5μm. Mode de Contact AFM Le Mode de Contact AFM mesure la topographie avec la sonde perpétuellement en contact avec l'échantillon. TappingMode AFM Topographie de mesures de TappingMode AFM (breveté) en filetant légèrement la surface avec une extrémité de oscillation de sonde. Élimine des forces de cisaillement (mode de présent en contact). TappingMode est maintenant le mode de lecture du choix pour la plupart des demandes, en particulier de surfaces plus molles comme des polymères. Mode De Non Contact AFM La topographie de mesures d'AFM de Mode De Non Contact en sentant l'attraction de Van der Waals entre la surface et la sonde dirigent. Elle est moins stable que le contact ou le TappingMode. LiftMode LiftMode (breveté) est une technique de deux-passage qui mesure séparé une topographie et une propriété sélectée différente (force magnétique, force électrique, Etc.) utilisant l'information topographique pour cheminer l'extrémité de sonde à une distance constante au-dessus de la surface. PhaseImaging PhaseImaging (breveté) trace la composition extérieure basée sur des différences dans les propriétés mécaniques ou adhésives locales de l'échantillon. Microscopie de Force Transversale Les forces de frottement de plans (LFM) de Microscopie de Force Transversale entre l'extrémité de sonde et l'échantillon apprêtent. L'extrémité peut functionalized avec la substance chimique pour la microscopie chimique de force. Microscopie de Force Magnétique La Microscopie de Force Magnétique (MFM) trace le gradient et la distribution de force magnétique au-dessus de la surface témoin utilisant LiftMode (le Schéma 5). 
Le Schéma 5. AFM (a) et images de LiftMode MFM (b) de région d'extrémité de perche sur la tête de lecture/écriture (MR) magnétorésistante utilisée dans les disques durs de l'ordinateur. L'image de MFM affiche la structure de domaine et le M. senseur qui ne peuvent pas être vus en topographie d'AFM. échographie de 12μm. Modulation de Force Forcez la raideur relative de plans de Modulation (brevetée) des caractéristiques techniques extérieures. Microscopie de Force Électrique La Microscopie de Force Électrique (EFM) trace le gradient et la distribution de champ électrique au-dessus de la surface témoin utilisant LiftMode. Représentation Potentielle Extérieure La Représentation Potentielle Extérieure est l'une des quelques techniques d'AFM qui effectue les plans quantifiables d'une quantité autre que la topographie extérieure. Utilisant LiftMode, elle trace la distribution du potentiel électrique extérieur de l'échantillon. Les applications Récentes comprennent des études de corrosion des alliages. SPM Électrochimique SPM Électrochimique trace les changements topographiques in-situ comme induits par des réactions électrochimiques des solutions d'électrolyte simultanément avec le contrôle potentiel de cellules électrochimiques (par exemple voltamétrie). Peut être exécuté avec l'AFM ou le STM. Microscopie Potentielle Électrochimique de Balayage La Microscopie Potentielle Électrochimique de Balayage (SECPM) (brevetée) est mappage in-situ de représentation ou de potentiel de la surface d'électrode en mesurant la différence potentielle entre la sonde potentiométrique et l'échantillon immergés dans une solution d'électrolyte ou un liquide polaire (le Schéma 6). 
Le Schéma 6. microscope potentiel électrochimique de Balayage (SECPM). Microscopie de Résistance de Propagation de Microscopie et de Lecture de Capacité de Lecture La Microscopie les deux de Résistance (SCM) de Propagation de Microscopie et de Lecture de Capacité (SSRM) de Lecture tracent les 2D profils de concentration en porteur (dopant) en matériaux de semi-conducteur. Microscopie de Thermique de Lecture La Microscopie Thermique de Lecture (SThM) trace la distribution de température de surface. Perçage D'un Tunnel AFM et AFM Conducteur Le Perçage D'un Tunnel AFM et AFM Conducteur mesurent le courant d'extrémité-échantillon pour la caractérisation de la conductivité électrique et le bilan de l'intégrité de film mince. TRmode TRmode trace les forces transversales et les gradients de force. Feuillets intercalés avec TappingMode pour la caractérisation transversale et verticale complémentaire (le Schéma 7). 
Le Schéma 7. TRmode est une technique qui utilise des vibrations de torsion d'une sonde d'AFM. Nanoindenting Nanoindenting mesure les propriétés mécaniques et les caractéristiques d'usure (dureté, adhérence, résistance) des films minces, des polymères, Etc. (par exemple diélectriques, du DLC). Ces techniques sont appliquées à une grande sélection de domaines d'application, de biologie aux semi-conducteurs, des dispositifs de stockage de données aux polymères, et de bloc optique intégré à la mesure des forces entre les particules et les surfaces. D'Autres applications comprennent la fabrication de MEMS, les peintures et les couches, les métaux/alliages/placages, les plastiques/polymères, les biomatériaux, la biotechnologie, la nourriture et l'emballage alimentaire, le bloc optique/films optiques, les disques optiques, la céramique, les films minces, les cristaux liquides, les cosmétiques, et les études géologiques et sur l'environnement. De plus, des systèmes d'AFM ont été déjà développés pour des applications hautement particulières, y compris les systèmes robotiques robotisés pour traiter des disques de semi-conducteur (Figure 2d). Ils ont été également développés avec des sous-programmes d'analyse conçus pour des applications particulières telles que des mesures de CD et de mémoire annexe/mine de DVD, ainsi que des mesures de récession d'extrémité de perche pour la fabrication de tête de lecture/écriture de stockage de données. Ces applications continuent à augmenter. Contrôles De L'environnement Des applications d'AFM sont effectuées dans un grand choix d'environnements. AFMs peut être actionné en air ambiant, dans l'aspirateur, et dans les liquides (le Schéma 8). Des mesures Biologiques, en particulier, sont souvent effectuées in vitro dans les liquides. Des expériences Électrochimiques sont effectuées en cellules liquides, permettant l'observation d'atomique-échelle des procédés électrochimiques. Dans certains cas, des études extérieures de nettoyage sont faites à la pression atmosphérique dans l'environnement contrôlé d'une boîte à gants sèche. 
Le Schéma 8. l'acide désoxyribonucléique Condensé (ADN) a été proposé comme mécanisme de mise en oeuvre de gène pour des applications de biotechnologie. Ici, les molécules défaites étaient imagées dans la solution de sel. échographie de 20μm. Les produits nouveaux Récents comprennent des systèmes de chauffage pour des applications biologiques et de polymère jusqu'à 250°C (le Schéma 9), complet avec l'échantillon sophistiqué et se sentir environnemental. Les Systèmes sont également maintenant disponibles pour régler l'environnement gazeux de l'échantillon à l'étude (Figures 10a et b). 
Le Schéma 9. images Successives de phase de poly siloxane (de hexacyclodimethyl) (a) à 85ºC et (b) à 90ºC. Le Chauffage induit la formation des îles liquides dans les polymères amorphes (a), qui convertissent en alignements de petits points sur le chauffage supplémentaire (b). échographies de 10μm. 
Figure 10a. Le Capot Atmosphérique pour le SPM À plusieurs modes de fonctionnement permet au contrôle de l'environnement gazeux de représentation de varier l'humidité ou l'image sous les gaz inertes. 
Figure 10b. L'EnviroScope offre le vide poussé, le chauffage, le contrôle potentiel de cellules électrochimiques, et l'environnement purgé de gaz. Avances Récentes de Technologie Le matériel et le logiciel Neufs ont étendu l'installation des systèmes à extrémité élevé de SPM au delà de la mesure et de la caractérisation pour comprendre le nanomanipulation et le nanolithography. Des Exemples du dans-plan et du nanomanipulation d'à l'extérieur-de-plan sont affichés dans les Figures 11a et 11b. Un exemple de nanolithography à pointage et clic est vu dans la Figure 11c. 
Figure 11a. Le nanomanipulation de dans-plan d'AFM utilise la sonde d'AFM à l'image, manipulent des objectifs de nanomètre-échelle (nanotubes de carbone), et l'image de nouveau pour voir les résultats. 
Figure 11b. Le nanomanipulation d'à l'extérieur-de-plan d'AFM utilise la sonde d'AFM à l'image, tire un biomolécule unique hors du plan de l'échantillon tout en mesurant le déploiement de la molécule, et l'image de nouveau pour voir les résultats (dans ce cas, le démontage d'une molécule d'un alignement). 
Figure 11c. Nanolithography d'AFM. Des Contrôleurs Neufs et l'électronique (les Contrôleurs par exemple, de NanoScope IV et d'IVa SPMs) ont été conçus pour augmenter à designs traditionnels relatifs de performance. Certains des développements récents en technologie d'AFM comprennent : Contrôles De L'environnement Combinés Le dernier rétablissement des combinaisons d'offre de SPMs des contrôles de l'environnement, y compris l'aspirateur et la température élevée (le Schéma 12). 
Le Schéma 12. Poly-sbs à la température ambiante en air (a) et à 180°C dans 10-5 Torr de pression (b). Images capturées avec l'Enviroscope (Figure 10b). Une définition transversale Plus Élevée Les systèmes d'AFM fournissent maintenant une densité d'enregistrement de données plus élevée pour laisser changer de plan dans les plus bons petits groupes, même sur de grandes échographies. Ceci fournit la définition exigée pour caractériser des flancs sur de tels échantillons que le DVD envoie/pique et des semi-conducteurs. Il permet également l'observation et la mesure des détails de nanoscale sur de grandes échographies - sans nécessité de passer le temps supplémentaire rebalayant l'échantillon avec une plus petite zone d'échographie (le Schéma 13). 
Le Schéma 13. Image de hauteur de TappingMode+ et zoom d'un copolymère. L'image carrée est un zoom dans la zone enfermée dans une boîte dans l'image rectangulaire initiale. Ce petit groupe est indiqué en changeant de plan simplement dedans avec le logiciel et sans besoin plus petites d'échographies longues et répétitives. Sans cette lecture plus de haute résolution, l'image changée de plan n'aurait pas la définition de pixel exigée pour visualiser des détails de nanoscale. échographie de 10μm x de 1.24μm et zoom de 1μm x de 1μm. Contrôle de « Q » - Le Réglage du facteur de qualité, ou de Q, de la sonde de oscillation d'AFM permet un meilleur contrôle des forces entre l'extrémité et l'échantillon et améliore la sensibilité des mesures comme avec PhaseImaging et MFM (le Schéma 14). 
Le Schéma 14. Les Images de la même zone sur la bande d'enregistrement magnétique ont balayé avec et sans le Q-Control. Les images du dépistage MFM de Phase et les mesures en coupe moyennes du déphasage de sonde illustrent presque le taux 4x signal/bruit amélioré pour l'image Q Q. échographies de 15μm. Résumé La microscopie de Balayage de perçage d'un tunnel a produit des images excessives des réseaux atomiques et la microscopie atomique de force a élargi la technologie sur les surfaces non-conductrices. Le Développement des microscopes atomiques de force a permis à des scientifiques et à des ingénieurs de voir la structure et le petit groupe avec la définition sans précédent et sans besoin de préparation des échantillons rigoureuse. Plusieurs avances ont davantage étendu l'installation de cette technique à un large éventail d'applications. TappingMode permet la représentation des matériaux mous sans dégâts à l'échantillon et LiftMode permet la représentation indépendante mais simultanée de la topographie et d'autres paramètres, tels que les forces magnétiques ou électriques, sans contamination transversale. PhaseImaging a ouvert la capacité pour la cartographie des variations compositionnelles extérieures. Les technologies Neuves de lecture et de mesure ont augmenté l'étendue de mesures et ont davantage augmenté ainsi l'installation de l'AFM pour une variété grande d'applications. Ces développements ont pris l'AFM, pendant quelques années courtes, d'une curiosité de laboratoire à une des technologies les plus puissantes, les plus flexibles, et très utilisées pour la caractérisation extérieure. |