ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 6, с. 115-118
_ ЛАБОРАТОРНАЯ _
- ТЕХНИКА -
УДК 543.067.2+543.067.22
ГАЗОЖИДКОСТНАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ СКАНИРУЮЩИХ ЗОНДОВЫХ МИКРОСКОПОВ
© 2004 г. А. В. Жихарев, С. Г. Быстрое
Физико-технический институт УрО РАН Россия, 426001, Ижевск, ул. Кирова, 132 Поступила в редакцию 17.03.2004 г.
Описан принцип действия и конструкция закрытой газожидкостной ячейки для сканирующих зон-довых микроскопов компании КТ-МБТ (Зеленоград, Россия). Приведены ее технические характеристики. На ряде примеров показана работоспособность сконструированного устройства.
В зондовой микроскопии часто возникает необходимость проведения измерений в контролируемых газовых и жидких средах. Примером может служить новый метод исследования поверхности материалов - химическая силовая микроскопия (х.с.м.), позволяющая получать информацию о химическом строении поверхности материалов с высоким пространственным разрешением [1-4]. Метод основан на измерении сил адгезии зонда с известным химическим строением поверхности к образцу в различных средах. Для проведения исследований методом х.с.м. необходимы специальные устройства - газожидкостные ячейки.
Разработанные ячейки бывают двух типов -открытые (или полуоткрытые ) [5] и закрытые [6, 7]. При использовании открытых ячеек возникает проблема, связанная с испарением растворов. Изменение концентрации раствора в процессе измерений приводит к искажению получаемой информации. При использовании закрытых ячеек также существуют свои недостатки и ограничения. В частности, при заливке раствора в ячейку возникают пузыри воздуха, которые не позволяют настроить луч лазера на зонд. Многие ячейки спроектированы так, что на размеры исследуемых объектов накладываются строгие ограничения (например, для ячейки Аи008 фирмы КТ-МБТ [6] используются образцы в виде пластинок, размеры которых не должны превышать 10 х 7 х 0.5 мм). Из-за ограниченного рабочего пространства в сканирующем зондовом микроскопе и особенностей конструкции крепежных элементов возникают сложности с установкой ячейки на прибор и креплением ее к пьезоскане-ру. Кроме того, как правило, ячейки могут быть использованы для проведения только определенных исследований (например, химических или электрохимических) и в только определенных средах.
Нами предлагается улучшенная конструкция газожидкостной закрытой ячейки для микроско-
пов Solver P4-SPM, Solver P47 и их модификаций компании HT-MDT (Зеленоград, Россия). На рис. 1 приведена схема конструкции этого устройства. Ячейка состоит из нижней части 1, верхней части 2 и столика 3 с крышкой 4. В нижней части ячейки установлен столик 5 для образцов. Фиксация образцов осуществляется либо двухсторонним скотчем, либо с помощью завинчивающейся шайбы 6 с лапками. К верхней части ячейки винтами 9 крепится крышка 4. Зонд 8 расположен под лапкой в нижней части крышки. Герметизация ячейки осуществляется кольцеобразной эластичной прокладкой 11 и кольцеобразной пленкой 12 (из фторопласта, силиконовой резины и т.п.), находящимися между верхней и нижней частями ячейки. Фторопластовые патрубки 13 обеспечивают подачу и удаление газов и жидкостей в рабочий объем ячейки.
Рассмотрим настройку и работу устройства. Столик с укрепленным на нем образцом вставляется в нижнюю часть ячейки. Круглый выступ в нижней части ячейки позволяет установить ее на пьезосканер под лапки. На верхнюю часть ячейки укладывается кольцеобразный герметик. Столик с крышкой и зондом устанавливается в сканирующую головку, которая ставится на столик устройства точного позиционирования [8]. При этом крышка соединяется с верхней частью ячейки и фиксируется винтами. Включается лазер, и выполняется настройка лазера на зонд, по окончании которой планкой-прижимом 19 верхняя часть ячейки фиксируется для сохранения настроек лазера. Далее, с помощью микрометрических винтов устройства точного позиционирования нижняя часть ячейки с образцом подводится под зонд, и осуществляется сканирование поверхности образца.
При смене газообразной среды на жидкую выполняются следующие действия. Образец на небольшое расстояние отводится от зонда, в один из патрубков вставляется либо шприц с раствором,
115
8*
Луч лазера
Луч лазера
15
10
17
Рис. 1. Схема газожидкостной закрытой ячейки: 1 - нижная часть ячейки; 2 - верхняя часть ячейки; 3 - столик; 4 — крышка; 5 - столик для образцов; 6 - завинчивающаяся шайба с лапками; 7 - образец; 8 - зонд; 9 - прижимные винты; 10 - кварцевое стекло; 11 - герметик; 12 - герметичная пленка; 13 - патрубки; 14 - устройство точного позиционирования зонда; 15 - сканирующая головка; 16 - микроскоп; 17 - пьезосканер; 18 - лазер; 19 - прижимная пластина.
9
9
4
2
6
5
1
либо штуцер с системой подачи раствора, и заливается раствор, пока не будет заполнен весь объем ячейки и излишки раствора не начнут вытекать из другого патрубка в резервную емкость. После этого планка-прижим освобождается, и проводится дополнительная настройка лазера на зонд, так как в жидкой среде происходит изменение хода лазерного луча. После фиксации верхней части ячейки прижимной планкой образец подводится к зонду и осуществляется сканирова-
ние поверхности. После завершения исследований в жидкости образец отводится от зонда, через патрубок откачивается жидкость, осушается ячейка (например, путем пропускания азота), выполняется дополнительная настройка лазера на зонд и проводится следующее исследование в требуемой среде.
Основные технические характеристики устройства. Объем ячейки 3 мл. Размеры устанавливаемых образцов: ширина 10 мм, длина 5-15 мм,
ГАЗОЖИДКОСТНАЯ ЯЧЕЙКА
117
Рис. 2. Полученные на атомном силовом микроскопе изображения (контактный режим) германия, напыленного на полиимидную пленку (слева), и профиль сечения зерна (справа) для различных сред: а - воздух, б - дистиллированная вода.
высота 0.5-10 мм. Крепление зонда осуществляется прижимной пластиной, что дает возможность использовать многобалочные зонды. Чтобы пузырьки остаточного воздуха не попадали под луч лазера при работе в жидкости, место крепления зонда в нижней части крышки 4 имеет по окружности скос, за счет чего образуется пространство для стекания пузырьков. Герметичность ячейки позволяет обеспечить работу с летучими жидкостями длительное время. Ячейка сконструирована так, что ее нижняя часть и кольцеобразная герметизирующая пленка могут легко заменяться в зависимости от задач исследования и типа используемых жидкостей. Детали конструкции изготовлены из фторопласта и нержавеющей стали. Устройство можно легко устанавливать на сканирующий зондирующий микроскоп (не изменяя стандартной конструкции прибора) и снимать с него. При этом характеристики прибора не ухудшаются.
На рис. 2 представлены результаты тестовых испытаний устройства, проведенных с целью оценки предельного пространственного разрешения изображений исследуемых объектов в различных средах. Измерения проводились на воздухе и в жидкости (в дистиллированной воде). В качестве тестового образца использован напыленный на полиимидную пленку германий с характерной мелкозернистой структурой (размеры зерен ~70-100 нм). Проведенные исследования показали, что ячейка позволяет получать близкие по предельному пространственному разрешению изображения поверхности образцов в различных средах. При этом на изображениях можно наблюдать мелкие зерна, ~75 нм (профили сечения зерен на рис. 2).
На рис. 3 приведены данные тестовых испытаний по измерению в ячейке сил адгезии зонда к поверхности исследуемых материалов в различных средах в режиме спектроскопии. Использовались кремниевые зонды производства фирмы КТ-МБТ с силовой константой 0.1 Н/м. Исследо-
F, нН
16 -
14 -
12 -
10 -
8 -
6 -
4 -
2 -
ПС
ПMMA
Среда
Рис. 3. График сил адгезии зонда к полимерам (фирма АЫпсИ) с различной поверхностной энергией: 1 - на воздухе; 2 - в осушенном азоте; 3 - в воде.
вания проводились на воздухе, в азоте и в дистиллированной воде. В качестве тестового образца с низкой поверхностной энергией использовалась пленка полистирола (ПС). В качестве тестового образца с высокой поверхностной энергией использовалась пленка полиметилметакрилата (ПММА). Пленки наносились на танталовые подложки из раствора в этилацетате с последующей сушкой в вакууме. Измерения сил адгезии проводили по всей поверхности образца. Было установлено, что сила адгезии зонда к образцам с различной поверхностной энергией менялась в зависимости от среды, в которой проводились измерения. Следовательно, в ячейке можно получать так назы-
ваемые отпечатки пальцев силы адгезии зонда к различным материалам, что в дальнейшем позволит различать и идентифицировать на поверхности реальных объектов области с различным химическим строением.
Таким образом, проведенные испытания показали, что описанное устройство является простым и надежным в эксплуатации и обеспечивает заложенные в его конструкцию параметры. Его можно использовать как на зондовых микроскопах моделей Solver P4-SPM-MDT, Solver P47, так и на их модификациях (NT-MDT, Зеленоград, Россия).
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты № 01-03-96461 и 01-02-96463).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Frisbie C D., Rozsnyai L.F., Noy A. et al. // Science. 1994. V. 265. Р. 2071.
2. Vezenov D.V., Noy A., Rozsnyai L.F., Lieber C.M. // J. Am. Chem. Soc. 1997. V. 119. № 8. Р. 2006.
3. Duwez A.-S., Poleunis C, Bertrand P., Nysten B. // J. Am. Chem. Soc. 2001. V. 17. № 20. Р. 6351.
4. èo,cmy„ap В.И., Быcmpoв С.Г., Muxaüíoea C.C. // Mатериалы Всероссийского совещания "Зондовая микроскопия-99". Нижний Новгород: ИПM РАН, 1999. С. 305.
5. Бyxapaeв A.A., Hyp„a3U3oe НИ., MoÊaHoea A.A., 0,4UHHUKOв Д.В. // Mикроэлектроника. 1999. Т. 28. № 5. С. 385.
6. NT-MDT CATALOG. M. 2003. С. 1-39.
7. Wanless E.J., Senden T.J., Hyde A.M., Sawkins T.J. // Rev. Sci. Instrum. 1994. V. 65. № 4. Р. 1019.
8. Üuxapee A.B., Быcmpoв C.É., Kap6arn O.B. // ПТЭ. 2003. № 3. С. 127.
2
3
l
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭKСПEРИMEHTA < 6 2004
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.