WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 12 05;11;12 Моделирование влияния радиуса иглы на чувствительность атомно-силового микроскопа © А.В. Покропивный1, В.В. Покропивный2, В.В. Скороход2 1 Московский физико-технический институт, 141700 Москва, Россия 2 Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, 252142 Киев, Украина (Поступило в Редакцию 4 марта 1996 г. В окончательной редакции 8 июля 1997 г.) Методом компьютерного моделирования впервые получено изображение изосиловой поверхности с дефектом в атомно-силовом микроскопе. Детально исследована зависимость компьютерного изображения поверхностной пентавакансии от радиуса острия. Показано, что разрешающая способность повышается с уменьшением радиуса острия.

За 10 лет со дня своего появления атомно-силовой кой. Использовался надежно зарекомендовавший себя микроскоп (АСМ) стал мощным инструментом высо- парный межатомный потенциал Джонсона, подогнанный кого разрешения для исследования структуры поверх- под упругие модули, энергию образования вакансии и ности [1], контактных явлений в процессах адгезии, постоянную решетки [9]. Острие АСМ моделировалось в разрушения, наноинденитирования [2] и трения [3], мо- виде параболоида вращения: из объемноцентрированной дификации поверхности в нанолитографии [4]. Как и кристаллической (ОЦК) решетки вырезались все атов других видах микроскопии, возникла проблема аде- мы, попадающие в объем, ограниченный поверхностью кватной идентификации АСМ изображений с реальной z =[(x-x0)2 +y2]/2R. Подложка моделировалась в виде структурой. Форма иглы влияет на силу адгезии и АСМ прямоугольного кристаллита. Для придания жесткости изображение [1], но детали этой зависимости не изуче- верхние атомы острия, а также боковые и нижние атоны. Очевидно, что, когда радиус острия R превышает мы подложки из динамической релаксации исключались.

поперечный размер поверхностного дефекта L, часть ин- Изображение плоского среза из двух поверхностей (010) формации теряется, а изображение дефекта искажается. с y = 0 и y = 0.5A (A = 0.286 nm — постоянная Эта проблема затрагивалась недавно в работе [5], где решетки ОЦК Fe) выводилось программой визуализации для вычисления предельно-разрешимой глубины поверх- на экран компьютера. Процесс сканирование острия ностной канавки использовалась простая геометрическая моделировался следующим образом. После смещения из модель h = R-[R2-(L/2)2]1/2, что отражает недостаточ- начального положения x0 на шаг dx 0.05 A вдоль ный уровень понимания и актуальность этой проблемы. атомного ряда по оси X выполнялась релаксация и Причина в том, что идеальное разрешение достигается рассчитывались число, энергия и сила взаимодействия при уменьшении радиуса острия до атомных размеров, межатомных связей между острием и поверхностью, где само понятие радиуса теряет строгий смысл и должно попадающих в сферу действия потенциала rk = 1.2A, быть заменено понятием атомной структуры кончика учитывающие две координационные сферы. Их сумма острия. Таким образом, указанная проблема трансфор- дает силу взаимодействия острия с поверхностью мируется в задачу исследования взаимодействия кончика Fts = - d(ri j)/dri j, острия с поверхностью на атомном уровне. Ландман i j и др. [2] продемонстрировали эффективность компьютерного моделирования для решения подобных задач.

где (ri j) — потенциал взаимодействия между атомами Панов и др. [6–7] развили модельные представления для поверхности i и атомами острия j.

АСМ диагностики поверхностных дефектов. В работе [8] Далее все атомы острия смещались с шагом нами впервые методом молекулярной динамики выполdz 0.01 A по оси Z, перпендикулярной плоскости нено компьютерное моделирование АСМ изображений поверхности. Методом градиентного спуска искалось поверхностных вакансий.

конечное положение, при котором упругая сила отталЦель данной работы — детальное изучение влияния кивания поверхности уравновешивала бы задаваемую радиуса иглы (атомной структуры кончика иглы) АСМ исходную силу давления острия Fts = F0. Затем на компьютерное изображение избранного дефекта (по- изображается отрезок изосиловой линии F0 = const верхностной пентавакансии).

между начальным и конечным положением, релаксироМетодика моделирования базируется на стандартном ванная атомная структура и расчет повторяется. Для методе молекулярной динамики [8]. Для упрощения в ка- каждого острия проводилось 21 сканирование с шагом честве материала острия АСМ и подложки выбрано же- dy = 0.25 A, по результатам которых восстанавливалась лезо с объемноцентрированной кристаллической решет- изосиловая поверхность. Программы написаны на языке Моделирование влияния радиуса иглы на чувствительность атомно-силового микроскопа Рис. 1. Конфигурация исследуемой пентавакансии на поверхности (100) (a) и топографическое изображение ее изосиловой поверхности (R = 0.5A) (b).

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 72 А.В. Покропивный, В.В. Покропивный, В.В. Скороход Рис. 2. Структура плоского среза кристаллита с иглой радиусом R = 0.5 A после сканирования над центром пентавакансии (a) и изображение изосиловой поверхности пентавакансии (b).

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Моделирование влияния радиуса иглы на чувствительность атомно-силового микроскопа Рис. 3. То же, что и на рис. 2, но с иглой радиусом R = 2A.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 74 А.В. Покропивный, В.В. Покропивный, В.В. Скороход Рис. 4. То же, что и на рис. 2, но с иглой радиусом R = 2A.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Моделирование влияния радиуса иглы на чувствительность атомно-силового микроскопа MS-Fortran 5.0 с использованием графического пакета на И наконец, когда радиус становится больше размера языке СИ. дефекта (R = 2 A > L), поверхностный дефект почти не Конфигурация исследуемой пентавакансии в проекци- виден (рис. 4, b). Он проявляется только в небольшом ях на плоскости xy и xz, совпадающих с плоскостью изменении шероховатости изосиловой поверхности. За(100) ОЦК решетки, представлена на рис. 1, a и 2, a метим, что изображение поверхности зависит не только соответственно. Это вакансионный кластер из четырех от радиуса иглы, но и от значения постоянной силы F0 [8].

атомов в первом и одним атомом во втором слое (100)- Эта сложная зависимость требует отдельного рассмоповерхности. Он расположен в центре грани размером трения. Анализ вышеизложенного показывает, что разре5A 5A (рис. 1, a). На рис. 2, a, 3, a и 4, a приведена шающая способность АСМ увеличивается с уменьшенипроекция атомной структуры АСМ острий радиусом ем радиуса острия, причем предел разрешения больше 0.5, 1 и 2 A, на кончике которых расположены один, радиуса иглы L > R. Для разрешения тонких детачетыре и шесть атомов соответственно. Заметим, что в лей изображения требуются максимально острые иглы.

положении минимума на рис. 3, b острие и поверхность В идеале это атомно-острая игла с одним атомом на находятся в положении идеального совпадения. Темны- кончике. Изготовление таких игл и поддержание их в ми и светлыми (с точкой внутри) кружками показаны таком состоянии требуют большого экспериментального динамические атомы в смежных (100)-плоскостях, а мастерства. Кроме того, адгезионное взаимодействие при квадратиками — вакансии. Линии, соединяющие атомы, определенных условиях приводит к перескоку атомов с изображают парные адгезионные связи между остри- острия на подложку, вызывая затупление иглы [2,8]. Для ем и поверхностью. Кривые линии изображают линии предотвращения этого вредного эффекта иглы должны постоянной силы. Заметим, что в отличие от атомно- изготавливаться из максимально тугоплавкого материаострого острия (рис. 2, a) минимумы изосиловой линии ла, что сопряжено с большими трудностями.

для иглы радиусом 1.0 A расположены не в лунках между В заключение можно сделать вывод, что компьютерное атомами, а над атомами (рис. 3, a). Это объясняется моделирование может служить для калибровки натурных тем, что результирующее АСМ изображение является экспериментов, например для определения истинного суперпозицией изображений от всех взаимодействующих радиуса иглы путем сравнения экспериментального изоатомов на кончике острия. бражения известного дефекта (к примеру вакансии) с его В тестовых расчетах была установлена сильная зависи- компьютерным изображением для разных радиусов игл.

мость результатов от критерия останова релаксационной Таким образом, компьютерный эксперимент дополняет процедуры по остаточной кинетической энергии кристал- натурный и позволяет устранить неоднозначность интерлита на атом W. При W > 10-2 eV атомы острия и претации изображения. Для отработки режимов работы поверхности не релаксируют, но взаимодействуют между и расшифровки изображений целесообразно создание собой и вносят вклад в силу адгезии Fts. Этот режим, атласа компьютерных изображений типичных дефектов.

характерный для твердого острия или высокой скорости Возникает задача разработки базы изображений и просканирования, превышающей скорость релаксации, ис- граммного обеспечения атомно-силового микроскопа, пользовался в данной работе. Значение отталкивающей которое в комплексе повысит эффективность атомнопостоянной силы изосиловой поверхности выбрано рав- силовой микроскопии. Прототипом такого сопутствуюным F0 = 100 eV/nm = 16 nN, как часто встречающееся щего программного обеспечения служит разработанный в натурных экспериментах. нами комплекс программ СИДЕМ/АСМ.

Результаты моделирования изображений поверхностной пентавакансии с разными радиусами иглы предстаСписок литературы влены на рис. 2, b, 3, b и 4, b. Сравнение этих рисунков позволяет сделать основной вывод данной работы, а [1] Giessibl F.J. // Jpn. J. Appl. Phys. Pt. 1. 1994. Vol. 33. N 6B.

именно изображения одного и того же дефекта, полуP. 3726–3734.

ченные с иглами разных радиусов, различны. Атомно[2] Landman U., Luedtke W.D., Burnham N.A., Colton R.J. // острая игла с одним атомом на кончике (R = 0.5 < L) Science. 1990. Vol. 248. P. 454–461.

дает наиболее полное изображение с разрешением всех [3] Fujisawa S., Kisni E., Sugawara Y., Morita S. // Jpn. J. Appl.

Phys. Pt. 1. 1994. Vol. 33. N 6B. P. 3752–3755.

пяти вакансий (рис. 2, b). Виден даже рельеф склона [4] Czajka R. // Acta Phys. Polonica A. 1995. Vol. 88. N 5. P. 813– вакансионной ямы, обусловленный адгезионным взаимо828.

действием острия с атомами второго слоя поверхности.

[5] Dwir D., Reinhardt F., Kapon E. // J. Appl. Phys. 1995. Vol. 78.

Топографическое изображение изосиловой поверхности N 8. P. 4939–4942.

для этого случая представлено на рис. 1, b. Линии равной [6] Мостепаненко В.М., Панов В.И., Соколов И.Ю. // Письма высоты проведены от -0.5 до +0.5 A с шагом 0.05 A.

в ЖТФ. 1993. Т. 19. Вып.8. С. 65–72.

Пересечение линий сетки соответствует положению ато[7] Благов У.В., Климчицкая Г.Л., Мостепаненко В.М. идр. // мов в кристаллической решетке для поверхности z = Письма в ЖТФ. 1994. Т. 20. Вып. 1. С. 71–77.

(рис. 1, a). Острие радиусом, равным размеру дефекта [8] Покропивный А.В., Покропивный В.В., Скороход В.В. // (R = 1 A = L), уже дает искаженное изображение — Письма в ЖТФ. 1996. Т. 22. Вып. 2. С. 1–7.

пентавакансия выглядит как одна вакансия (рис. 3, b). [9] Johnson R.A. // Phys. Rev. 1964. Vol. 134A. N 5. P. 1329–1336.

Журнал технической физики, 1997, том 67, №




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.