| Avläsande sondmikroskop (SPMs) är instrumenterar som mäta rekvisita av ytbehandlar. De inkluderar atom- styrkamikroskop (AFMs) och scanning som gräver mikroskop (STMs). I deras första applikationer användes SPMs främst för att mäta 3D ytbehandlar topografi, och, även om de kan nu vara van vid, mäta många annat ytbehandlar rekvisita, det är stilla deras primära applikation. SPMs är det kraftigast bearbetar av samtiden för ytbehandlar metrology som mäter ytbehandlar särdrag vars dimensionerar spänner från interatomic göra mellanslag till ett tionde av en millimeter. Det huvudsakliga särdrag, som all SPMs har i allmänning, är, att mätningarna utförs med en korsond som fungerar i det near, sätter in, dvs. och att avläsa över ytbehandlastunderna som underhåller mycket nära göra mellanslag till ytbehandla. Dessa instrumenterar, specifikt STMs, var första till jordbruksprodukterverklig-utrymme avbildar av atom- ordningar på lägenhet ytbehandlar. SPMs är mest gemensam van vid utför nu preciserar mycket, tredimensionella mätningar på Ångstrom-till-Mikrometern fjäll. Bordlägga 1. Jämförelse och kännetecknen av allmänningmikroskop. | | | | | | Djup av Sätter In | Litet | Stort | Medel | | Djup av Fokuserar | Medel | Stort | Litet | | Upplösning: X Y | 1.0μm | 5nm | 2-10nm för AFM
0.1nm för STM | | Upplösning: Z | n/a | n/a | 0.05nm | | Effektiv förstoring | 1X - 2x103X | 10X - 106X | 5x102X - 108X | | Ta Prov förberedelsekravet | Lite | Lite till väsentligheten | Lite eller inga | | Kännetecken som krävs för, tar prov | Sample måste inte vara fullständigt genomskinlig att tända den använda våglängden | Surface måste inte uppbyggnadladdningen och måste vara dammsuger kompatibelt | Sample måste inte ha lokalvariationer in att ytbehandla μm för höjd >10 | *Environmental SEM 2000 fungerar på higher pressar och låg eV, men upplösning offras. Till 80-tal hade forskare relied på annan instrumenterar för att avbilda, och att mäta morfologin av ytbehandlar. Nu i existens för över två årtionden, är SPMs det nyaste tillträdeet in i ytbehandlametrologyen sätter in. Som motsatt till optiska mikroskop och elektronmikroskop (SEM 2000, TEMs), SPMs mäta ytbehandlar tre dimensionerar sammanlagt: X, Y och Z. Lika SEM 2000, SPMs avbildar och mäter ytbehandla av ta prov. Är topographic upplösning för X och för Y för mest SPMs, inklusive AFMs, typisk 2 till 10 nanometers (STM-upplösning kan vara så bra som 0.1nm). Z-upplösning är om 0.1nm för enplanlagd AFM eller STM. Optiska mikroskop och SPMs är det lättast att använda, med litet eller inget tar prov förberedelsen, och inget dammsuga krävt. Optiska mikroskop och SEM 2000 kan ha större sätter in av beskådar, men SPMs ger de högsta förstoringarna och upplösningen i 3D. Dessutom endast tar prov SPMs arbete på mest med minsta tar prov förberedelsen. Kort Historia Scanningen som gräver mikroskopet, (STM) var den första SPM-teknologin och kändes igen som ha atom- upplösningskapacitet i 1981. STM i faktum, stillbilden ger den tillgängliga bäst upplösningen (Figurera 1). STMEN använder grävaströmmen mellan spetsen och tar prov för att avbilda ta prov ytbehandlar. Tyvärr finns det några begränsningar, det viktigast av vilket är att ytbehandla av ta prov måste vara ledare eller halvledare. Detta begränsar materialen som kan vara utstuderade. 
Figurera 1. STM avbildar visningsingel-atomen hoppar av i jodadsorbategaller på platina. bildläsning 2.5nm. Denna begränsning ledde till uppfinningen i 1986 av det första atom- styrkamikroskopet. Första kommersiellt - tillgänglig AFM, Digitana Instrumenterar NanoScope® introducerades i 1989. Gilla STMEN, använder AFMEN också mycket en korspets för att sondera och kartlägga morfologin av en ytbehandla. Emellertid i AFM finns det något krav att mäta en ström mellan spetsen och att ta prov. I detta fall är spetsen på avsluta av enfabricerad cantilever med en low fjädrar konstant. I kontaktfunktionsläget AFM, rymms den första AFM-tekniken, denta prov styrkan fixad, genom att underhålla en konstant och en mycket låg avböjning av cantileveren som är driftiga spetsen mot ta prov. Denna styrka kan vara i spänna av interatomic styrkor i heltäckande. Därefter beskriver vi grunderna av AFM som är inklusive hur lodlinjen vinkar av spetsen avkänns och omformas in i topographic data. Grundläggande AFM-Delar Den grundläggande AFMEN är förhållandevis enkel i begrepp (Figurera 2a). Dess mest nära föregångare är nålprofileren. 
Figurera 2. (a) Förenklat diagram av en generisk AFM. Foto visar exempel av (b) MultiMode SPM, (c) Dimensionera 3100 SPM, och (D) automatiserade fullständigt robotic Dimensionerar X3D-systemet för halvledareapplikationer. AFM-teknologi använder skarpare sonder och lower styrkor, än nålprofilers som ger högre information om upplösning without, tar prov skada. En generisk AFM består av efter delarna: - ScanningSystem
- Sond
- Sonden Vinkar Avkännaren
- KontrollantElektronik
- Stoja Isolering
- Dator
ScanningSystem Den mest grunden som är del- av AFMEN och hjärtan av mikroskopet, är bildläsaren. Beroende av individdesignen kan bildläsaren avläsa (flyttningen) ta prov (Figurera 2b, MultiMode™ SPM), om ta prov är liten nog, eller den kan avläsa sonden över ett större tar prov (Figurera 2c, Dimension™ 3100 SPM). Att utföra den krävda precisionen, används en piezoelectric rörbildläsare typisk för att ge under-Ångstrom vinkar kontrollerar. Sond Ett Annat nyckel- del- i systemet är sonden. Som nämnt över, kan sonden vara stationär, och ta prov kan avläsas under den, eller sonden kan avläsas över ta prov. Med dagens sofistikerad teknologi tippar spets-/cantileverenheter, som sminket sonden (Figurera 3) kan samlas-produceras med konsekvent format, mycket kor. Dessa spetsar integreras in i avsluta av cantilevers, som har en lång räcka av rekvisita som planläggs för en variation av applikationer. 
Figurera 3. SEM 2000micrograph av en etsad spets för singel-kristall silikonAFM och spetsen/cantileverenheten Sonden Vinkar Avkännaren Denna enhet avkänner styrkan mellan sonden och ta prov och ger en korrigering signalerar till Zet portionr av den piezoelectric uppehället för bildläsaren (Figurera 2a), styrkakonstanten. Den mest allmänningdesignen för denna fungerar kallas det optiskt strålar avböjningssystemet, som är det lägst stojar, mest stall och mest tillgängligt mångsidigt system. Denna design använder en laser strålar glänsande på, och reflektera av baksidaen av cantileveren och på en segmenterad fotodiod för att mäta sonden vinka. KontrollantElektronik Denna enhet ger att ha kontakt mellan datoren, scanningsystemet, och sonden vinkar avkännaren. Den levererar spänningarna, som kontrollerar den piezoelectric bildläsaren, accepterar signalera från sonden vinkar avkännaren och innehåller återkopplingen kontrollerar elektronik för att hålla styrkan between tar prov och tippar konstant. Stoja Isolering Att uppnå den högsta upplösningen, måste mikroskopet isoleras från stojar i dess omgivning. Det finns mycket effektivt, yet enkla system för isolering av AFMs från däckar vibrationer, och från akustiskt, elektriskt och optiskt stoja källor. Dator Slutligen avläsande sondmicroscopy och AFM som skulle för att inte vara görligt utan tillgängligheten av kraftiga snabba PC som kör systemet och som bearbetar som visar och som analyserar rikedomen av producerade data. Applikationer/ScanningTekniker I dess kort livstid har SPM redan tillfogat många variationer till grundscanningen som gräver tema. Begränsa av STM (ta provconductivitykravet) När AFMEN övervann den stränga applikationen, variationen av tekniker, och spänna av applikationer började att plocka svamp. (Figurera 4), Även Om topographic kartlägga är stilla den framträdande applikationen för AFM, kommersiellt - tillgängliga SPMs ger nu något eller alla av efter tekniker: Avläsa Gräva Microscopy Att Avläsa Gräva Microscopy (STM) mäter topografi genom att använda grävaströmmen mellan sondspetsen och ett ledande ta prov ytbehandlar. 
Figurera 4. Specificerad topografi av tre hoppar av - två framstickanden och en fördjupning - i enförskjutning photolithography maskerar. Ett tvärsnitt mäter det mindre av de två framstickandena (A) ~140nm across i det plant av avbilda. Fördjupningen hoppar av (B) mäter mindre än 6nm djupt. 1.5μm bildläsning. KontaktFunktionsläge AFM KontaktFunktionsläget AFM mäter topografi med sonden perpetually i kontakt med ta prov. TappingMode AFM TappingMode (patenterad) AFM mäter topografi, genom lätt att knacka lätt på ytbehandla med en svängande sondspets. Avlägsnar saxstyrkor (gåva i kontaktfunktionsläge). TappingMode är nu scanningfunktionsläget av primat för mest applikationer, bestämt för mer mjuk ytbehandlar lika polymrer. Non-Kontakt Funktionsläge AFM Non-Kontakten Funktionsläget AFM mäter topografi, genom att avkänna Skåpbil der Waals som dragningen between ytbehandlar och sonderar spets. Det är mindre stall än endera kontakt eller TappingMode. LiftMode (Patenterade) LiftMode är enpassera teknik, som mäter separat, topografi och en annan utvald egenskap (magnetisk styrka, elektrisk styrka, Etc.) som använder topographic information för att spåra sondspetsen på en konstant, distanserar ovanför ytbehandla. PhaseImaging (Patenterade) PhaseImaging kartlägger ytbehandlar sammansättning som baseras på skillnader i mekanisk eller adhesive rekvisita för lokalen av ta prov. SidoStyrkaMicroscopy SidoStyrkaMicroscopy (LFM) kartlägger frictional styrkor mellan sondspetsen och ta prov ytbehandla. Spetsen kan functionalizeds med kemisk art för kemisk styrkamicroscopy. Magnetisk StyrkaMicroscopy Magnetisk StyrkaMicroscopy (MFM) kartlägger magnetisk styrkalutning, och fördelning ovanför ta prov ytbehandlar genom att använda LiftMode (Figurera 5). 
Figurera 5. AFM (a) och LiftMode MFM (b) avbildar av region för polspets på det magnetoresistive (MR) läsa/skrivahuvudet som hårt används i drev för dator. MFM avbildar shows som området strukturerar och HERR avkännaren, som inte kan ses i AFM-topografin. 12μm bildläsning. StyrkaModulering (Patenterad) StyrkaModulering kartlägger släktingstyvhet av ytbehandlar särdrag. Elektrisk StyrkaMicroscopy Elektrisk StyrkaMicroscopy (EFM) kartlägger elkraft sätter in lutning, och fördelning ovanför ta prov ytbehandlar genom att använda LiftMode. Ytbehandla Potentiellt Avbilda Ytbehandla Potentiellt Avbilda är en av de få AFM-teknikerna, som gör kvantifierbart kartlägger av ett antal annan än, ytbehandlar topografi. Genom Att Använda LiftMode, kartlägger den fördelningen av ytbehandlar elektriskt potentiellt av ta prov. Nya applikationer inkluderar korrosionsstudier av legerar. Electrochemical SPM Electrochemical SPM kartlägger topographic ändringar i-situ, som framkallat av electrochemical reaktioner i electrolytelösningar med den potentiella electrochemical cellen kontrollera samtidigt (e.g voltammetry). Kan utföras med AFM eller STM. Avläsande Electrochemical Potentiell Microscopy (Patenterad) Avläsande (SECPM) Electrochemical Potentiell Microscopy är i-situ att avbilda eller potentiellt kartlägga av elektroden ytbehandlar, genom att mäta den potentiella skillnaden mellan den potentiometric sonden och ta prov som fördjupas i en electrolytelösning eller en polar flytande (Figurera 6). 
Figurera 6. Avläsande electrochemical potentiellt mikroskop (SECPM). Microscopy för Motstånd för Fördelning för för ScanningKapacitensMicroscopy och Scanning Microscopy båda för Motstånd (SCM) för Fördelning för för ScanningKapacitensMicroscopy och (SSRM) Scanning kartlägger den 2D bäraren (dopant) som koncentration profilerar i halvledarematerial. Avläsande Termisk Microscopy Avläsande Termisk Microscopy (SThM) kartlägger ytbehandlar temperaturfördelning. Gräva AFM och Ledande AFM Gräva AFM och Ledande AFM mäta spets-tar prov strömmen för karakterisering av elektrisk conductivity, och utvärderingen av tunt filmar fullständighet. TRmode TRmode kartlägger sidostyrkor och styrkalutningar. Interleaves med TappingMode för kompletterande lateral- och lodlinjekarakterisering (Figurera 7). 
Figurera 7. TRmode är en teknik som använder torsional svängningar av en AFM-sond. Nanoindenting Nanoindenting mäter mekanisk rekvisita och ha på sig kännetecken (hårdhet, adhesion, hållbarhet) av tunt filmar, polymrer, Etc. (e.g dielectrics, DLC). Dessa tekniker appliceras till en bred samling av applikationområden, från biologi till halvledare, från datalagringsapparater till polymrer och från inbyggd optik till mätningen av styrkor mellan partiklar och ytbehandlar. Andra applikationer inkluderar MEMS-fabricering, målar och beläggningar, belägger med metall/legerar/pläteringar, plast-/polymrer, biomaterials, bioteknik, mat, och mat som paketerar, optik/optiskt, filmar, optiska disks, keramik som är tunn filmar, vätskekristaller, skönhetsmedel, och geologiska och miljö- studier. I tillägg har AFM-system redan framkallats för högt specifika applikationer, däribland automatiserade robotic system för bruk av halvledarerån (Figurera 2d). De har också framkallats med analysrutiner som planläggs för specifika applikationer liksom CD- och DVD-bula-/gropmätningar såväl som mätningar för nedgång för polspets för det fabriks- huvudet för läsa/skriva för datalagring. Dessa applikationer fortsätter för att utvidga. Miljö- Kontrollerar AFM-applikationer bärs ut i en variation av miljöer. AFMs kan fungeras i omgivande luftar, dammsuger in, och i flytande (Figurera 8). Biologiska mätningar, i synnerhet, bärs ofta ut in vitro i flytande. Electrochemical experiment utförs i vätskeceller som låter atom--fjäll observation av electrochemical, bearbetar. Ytbehandla lokalvårdstudier göras på atmosfäriskt pressar i den kontrollerade miljön av en torr handske boxas, I vissa fall. 
Figurera 8. Förtätad deoxyribonucleic syra (DNA) har varit föreslagen som en genleveransmekanism för bioteknikapplikationer. Här avbildades unfixed molekylar i salt lösning. 20μm bildläsning. Nya ny produkt inkluderar uppvärmningsystem för biologiskt, och polymerapplikationer upp till 250°C (Figurera 9) som är färdiga med sofistikerat, tar prov och miljö- avkänning. System är också nu tillgängliga för att kontrollera den gasformiga miljön av ta prov under studie (Figurerar 10a och b). 
Figurera 9. På Varandra Följande arrangera gradvis avbildar av den poly siloxanen (för hexacyclodimethylen) på (a) 85ºC och (b) 90ºC. Uppvärmning framkallar bildande av vätskeöar inom de amorphous polymrerna (a), som konverterar in i samlingar av litet pricker på extra uppvärmning (b). 10μm bildläsningar. 
Figurera 10a. Den Atmosfäriska Huven för den MultiMode SPMEN låter kontrollerar av den gasformiga avbilda miljön för att variera fuktighet, eller att avbilda under inert gasar. 
Figurera 10b. Den EnviroScope erbjudandekicken dammsuger och att värma, kontrollerar den potentiella electrochemical cellen, och renat gasa miljön. Nya TeknologiFramflyttningar Ny maskinvara och programvara har fördjupa det nytto- av kick-avslutar mätning och karakterisering för SPM-systemdet okända för att inkludera nanomanipulation och nanolithography. Exempel av denplana och ut-av-plana nanomanipulationen visas in Figurerar 11a och 11b. Ett exempel av peka-och-klickar nanolithography ses in Figurerar 11c. 
Figurera 11a. Använder denplana nanomanipulationen för AFM AFM-sonden för att avbilda, att behandla nanometer-fjäll anmärker (kolnanotubes) och avbildar igen för att se resultaten. 
Figurera 11b. Använder avbildar denplana nanomanipulationen för AFM AFM-sonden för att avbilda, handtag en singelbiomolecule ut ur det plant av ta provstunderna som mäter uppvecklingen av molekylen och igen för att se resultaten (i detta fall, borttagningen av en molekyl från en samling). 
Figurera 11c. AFM-nanolithography. Nya kontrollanter och elektronik (e.g., den NanoScope DROPPEN och de IVa SPMs kontrollanterna) har planlagts för att förhöja kapacitetssläkting till traditionella designer. Några av de nya utvecklingarna i AFM-teknologi inkluderar: Kombinerat Miljö- Kontrollerar Den senaste utvecklingen av SPMs erbjudandekombinationer av miljö- kontrollerar, dammsuger däribland och hög temperatur (Figurera 12). 
Figurera 12. Poly-sbs på rumstemperaturen lufta in (a), och på 180°C i 10-5 Torr pressa (b). Images fångade med Enviroscopen (Figurera 10b). Högre sidoupplösning AFM-system ger nu högre datatäthet för att låta zoom in i det mest fin specificerar, även på stora bildläsningar. Detta ger upplösningen som krävs för att karakterisera sådan sidoväggar, tar prov på som DVD-bulor/gropar och halvledare. Det låter också observation, och mätningen av nanoscale specificerar på stora bildläsningar - utan behovet att spendera extra tid som avläser ta prov med ett mindre bildläsningsområde igen (Figurera 13). 
Figurera 13. TappingMode+-höjd avbildar och zoomen av en copolymer. Kvadrera avbildar är en zoom in i det boxades området i det original- rektangulärt avbildar. Detta specificerar avslöjs, vid zoom enkelt in med programvara och utan behovet för tidskrävande upprepande mindre bildläsningar. Utan denna högre upplösningsscanning zoom avbildar skulle för att inte ha PIXELupplösningen att krävas att beskåda nanoscale specificerar. 10μm x 1.24μm bildläsning och 1μm x 1μm zoom. ”Q” - Kontrollera Kontrollera det kvalitets- dela upp i faktorer, eller Q, av den svängande AFM-sonden låter bättre kontrollerar av styrkorna mellan spetsen och tar prov och förbättrar känsligheten av mätningar liksom med PhaseImaging och MFM (Figurera 14). 
Figurera 14. Avbildar av det samma området på magnetisk inspelning tejpar avläst med och Q-Kontrollerar without. Arrangera Gradvis upptäckt MFM avbildar, och genomsnittliga tvärsnittmätningar av sonden arrangerar gradvis den förhöjda förskjutningen illustrerar 4x signalera-till-stojar nästan förhållandet för Q-Kontrollerad avbildar. 15μm bildläsningar. Summariskt Att Avläsa gräva microscopy producerat dramatiskt avbildar av atom- galler, och atom- styrkamicroscopy breddade teknologin till icke-ledande ytbehandlar. Utveckling av atom- styrkamikroskop har tillåtna forskare och iscensätter för att se att att strukturera och specificera med aldrig tidigare skådad upplösning och utan behovet för rigoröst ta prov förberedelsen. Flera framflyttningar har vidare fördjupa denna nytto- teknik till en lång räcka av applikationer. Att avbilda för TappingMode tillstånd av mjuka material utan skada till ta prov och LiftModen låter separat men samtidigt avbilda av topografi och andra parametrar, liksom magnetiska eller elektriska styrkor, utan arg-förorening. PhaseImaging har öppnat upp kapaciteten för att kartlägga av ytbehandlar compositional variationer. Nya scanning- och mätningsteknologier har utvidgat spänna av mätningar och thus har vidare ökat det nytto- av AFM för en bred variation av applikationer. Dessa utvecklingar har tagit AFM, i några kort år, från en laboratoriumkuriositet till en av de kraftigast, böjligt, och brett använda teknologier för ytbehandlar karakterisering. |