СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЛЬЕФА НАНОРАЗМЕРНОЙ ПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ С ФОТОННЫМ ЭЛЕМЕНТНЫМ АНАЛИЗОМ МАТЕРИАЛА
METHOD OF MEASURING NANO-SIZED CONDUCTING SURFACE RELIEF WITH PHOTON ULTIMATE ANALYSIS OF MATERIAL

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к созданию сканирующиего туннельного микроскопа с фотонной диагностикой элементного состава материала с наноразмерным пространственым разрешением, позволяющим не только неинвазивно определять пространственный рельеф поверхности с атомарным разрешением, но и бесконтактно анализировать элементный состав материала наноразмерной проводящей поверхности.
Известен способ атомно-силовой микроскопии (ACM) (Method and atomic force microscope for imaging surfaces with atomic resolution BR 605251, 1987-07-28, BINNING GERD KARL). Принцип работы атомно-силового микроскопа обусловлен возникновением межатомной силы Ван-дер-Ваальса, которая зависит от величины промежутка между иглой с наноострием и анализируемой поверхностью. Межатомную силу измеряют по изменению положения упругого подвеса (кантилевера), на котором закреплена игла с наноострием. Пространственное положение кантилевера управляется трехмерным пространственным сканером. Атомно-силовой микроскоп позволяет измерять профили поверхности любых тел независимо от их электропроводности.
Однако сила взаимодействия между наноиглой и образцом, в отличие от туннельного тока в туннельном микроскопе, зависит от расстояния не монотонно, а довольно сложным образом: сначала это притяжение, которое с уменьшением расстояния, начиная примерно с 2 нм, сменяется отталкиванием. Поэтому область расстояний, в которой можно работать, весьма ограничена, и требуется тщательная юстировка прибора, иначе полученную картину будет практически невозможно интерпретировать.
Известен способ АСМ, использующий волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо (волоконно-оптического ИФП), работающий в ближнем поле, что позволяет детектировать смещение консоли с разрешением в несколько ангстрем, что повышает чувствительность АСМ. Помимо этого само оптическое волокно имеет диаметр около 100 микрон, что делает чувствительный элемент АСМ чрезвычайно миниатюрным. При сканировании поверхности упругая консоль с иглой испытывает изгибы, которые повторяют рельеф поверхности. Смещения иглы регистрируются по смещению “рабочей точки” ИФП (расстояния между отражателями интерферометра - поверхностью консоли и торца волокна, частично отражающего свет назад в волокно на границе раздела с воздухом). В результате свет, возвращаемый в волокно и регистрируемый фотодетектором, испытывает вариации, повторяющие рельеф силового воздействия иглы с поверхностью образца (см. статью Д.А.Лапшина. Фотонный сканирующий туннельный микроскоп с нерезонансным атомно-силовым режимом. ЖТФ, 1998, Т.68, №9, С.51-58).
Данный способ в отличие от АСМ обладает большим динамическим диапазоном измерения неоднородности поверхности, но он не способен анализировать элементный состав измеряемой поверхности.
Наиболее близким к заявляемому является способ, реализуемый сканирующим туннельным микроскоп (СТМ) (см. патент СН №643397, МПК H01J 37/285). В способе профиль поверхности образца с нанонеоднородностями, представляющего собой твердое тело из полупроводникового или металлического материала, исследуется по изменению туннельного тока, возникающего между наноострием металлического электрода зонда и исследуемой поверхностью, когда между ними прикладывается напряжение (порядка единиц вольта) при расстоянии L порядка нанометра. Туннельный ток, экспоненциально-зависящий от регулируемого расстояния L до анализируемой поверхности и достигающий величины в единицы-десятки наноампер, при пространственном смещении наноострия зонда вдоль анализируемой наноповерхности испытывает экспоненциальные изменения значения тока в зависимости от расстояния L между наноповерхностыо и зондом. Зонд перемещают вдоль наноповерхности при помощи X, Y пьезосканера с наноразмерным смещением. В результате вариации тока повторяют рельеф наноповерхности, над которой прошло наноострие зонда.
Для увеличения динамического диапазона СТМ, обеспечения линейности его отклика и предотвращения электрического пробоя между наноострием зонда и поверхностью в систему добавляют обратную связь, которая регулирует расстояние между иглой и поверхностью образца и удерживает постоянной величину туннельного тока. В систему введена обратная связь, и игла перемещается вверх-вниз, повторяя рельеф поверхности. Т.о., измерения профиля наноповерхности осуществляется при фиксированном значении туннельного тока и соответственно фиксированного L расстояния между наноострием зонда и анализируемой поверхностью при перемещении вдоль наноповерхности нанострия при помощи X, Y пьезосканера, а пространственная неоднородность измеряется по значению величины напряжения, подаваемого на пьезосканер, чтобы удерживать постоянным фиксированное расстояние L.
Туннельный микроскоп может быть использован не только для измерения рельефа проводящей поверхности, но одновременно для измерения межатомных сил (см. патент CN №101329248, МПК G01N 13/10). Tunnel-scanning microscope capable of measuring acting force among atomics and measuring method thereof. XIDONG DING [CN]; XIAOMIN XIONG [CN]; JINXIU ZHANG [CN].
Однако данный способ не позволяет измерить элементный состав анализируемой поверхности с наноразмерным разрешением, что должно сказываться на значении туннельного тока и соответственно на точности измерения реальных геометрических размеров профиля поверхности, когда анализируемая поверхность состоит из различных полупроводниковых материалов и металлов.
Задачей изобретения является создание сканирующего туннельного микроскопа с фотонной диагностикой элементного состава материала, позволяющего не только неинвазивно определять пространственный рельеф поверхности с атомарным разрешением, но и бесконтактно определять элементный состав материала проводящей поверхности с наноразмерным пространственым разрешением.
Технический результат заключается в возможности бесконтактного измерения элементного состава диагностируемой поверхности с пространственным разрешением, определяемым пространственным разрешением наноострия иглы зонда туннельного микроскопа.
гр
g
Поставленная задача достигается тем, что в способе, включающем определение 3-D профиля полупроводниковой или металлической поверхности на основе измерения величины туннельного тока в каждой пространственной точке профиля поверхности при приближении по вертикальной координате (Z) зонда с металлическим наноострием, согласно решению облучают поверхность под наноострием зонда перестраиваемым по длине волны оптическим излучением в диапазоне от ИК до УФ с постоянной спектральной мощностью излучения, фиксируют значение длины волны λ, соответствующее границе резкого возрастания величины туннельного тока, и определяют материал полупроводника или металла по значению величины энергетической ширины запрещенной зоны полупроводника (E) или работы выхода (А) электронов из металла в локальной области поверхности, определяемой наноострием иглы зонда соответственно из соотношения:
g
гр
E=1238/λ,
гр
A=1238/λ,
гр
где: λ - граничная длина волны в нм;
g
E, A - ширина запрещенной зоны для зондируемого полупроводника или работа выхода для металла, в электронвольтах, в данной точке поверхности.
Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена блок-схема устройства для измерения рельефа наноразмерной проводящей поверхности с фотонным элементным анализом материала,
где
1 - персональный компьютер, управляющий 3-координатным поперечным и вертикальным сканером зонда туннельного микроскопа, позволяющим смещать зонд вдоль анализируемой поверхности и поперек, а также управлять перестройкой длины волны зондирующего оптического излучения;
2 - измеритель величины туннельного тока зонда;
3 - монохроматор оптического излучения, позволяющий получать на выходе излучение в диапазоне от ультрафиолетового (УФ) до инфракрасного (ИК);
4 - согласующая кварцевая линза;
5 - источник широкополосного оптического излучения от УФ до ИК;
6 - Z вертикальный сканер туннельного зонда;
7 - X, Y сканер туннельного зонда, перемещающий наноострие иглы зонда вдоль анализируемой плоскости;
8 - одномодовый световод или фотонно-кристаллический световод, пространственно связанный с иглой зонда туннельного микроскопа; г
9 - туннельный зонд с металлической иглой с нанострием, пространственно связанный со световодом и управляемый трехмерным X, Y, Z сканером;
10 - исследуемая проводящая поверхность из металла или полупроводника.
Способ осуществляется следующим образом.
гр
g
С выхода АЦП персонального компьютера 1 изменением напряжения, подаваемого на X, Y сканер туннельного зонда 7, устанавливают определенное фиксированное поперечное положения туннельного зонда с металлической иглой с наноострием 9 над измеряемой поверхностью. Приближают иглу с наноострием зонда 9 к исследуемой проводящей поверхности 10 с помощью Z вертикального сканера туннельного зонда 6, контролируя расстояние до измеряемой поверхности по значению туннельного тока с помощью измерителя 2. Устанавливают определенное значение туннельного тока, что соответствует определенному расстоянию до измеряемой поверхности (по известному соотношению, связывающему изменение величины перемещения вертикального сканера зонда 6, например, из пьезокерамики, от прикладываемого напряжения, вызывающего его линейное удлинение или сжатие). Далее облучают наноповерхность (поверхность с наноструктурной неоднородностью) под наноострием металлической (типично из вольфрама) иглы зонда с помощью пространственно связанного с иглой одномодового световода или одномодового фотонного кристалла 8, на вход которого вводят перестраиваемое по длине волны оптическое излучение в диапазоне от ИК до УФ с помощью монохроматора 3, при этом широкополосное оптическое излучение со сплошным спектром из источника 5 с помощью линзы 4 вводится на вход монохроматора 3, перестраивают длину волны зондирующего оптического излучения от ИК диапазона до УФ, фиксируют пороговое значение граничной длины волны λ, соответствующей резкому возрастанию величины туннельного тока, и определяют материал полупроводника или металла в данной пространственной точке измеряемой поверхности по величине энергетической ширины запрещенной зоны (E) или работы выхода (A) электронов из металла.
g
гр
В основе метода измерения профиля проводящей поверхности лежит туннельной эффект, связанный с волновыми свойствами наночастиц, в частности электронов в зоне проводимости для полупроводников или электронного газа в металле, энергетическая плотность заселения уровней в которых подчиняется статистике Ферми-Дирака. При приближении к анализируемой проводящей поверхности металлического зонда с наноострием на расстояние, составляющее нанометры, и при подаче напряжения (порядка вольта) на зонд возникает определенная вероятность преодоления потенциального энергетического барьера, т.е. туннелирования электронов из анализируемого проводящего материала, при этом величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между наноострием зонда и поверхностью и связана с уровнем Ферми, характеризующим плотность заселения энергетических состояний электронов. При расстояниях порядка единиц нанометров типичное значение туннельного тока составляет наноамперы. Если освещать поверхность под наноострием зонда оптическим излучением, с энергией фотонов hv, где: h - постоянная Планка, v - частота зондирующего оптического излучения (или соответственно hc/λ), большей величины работы выхода электронов из металла A или энергетической ширины запрещенной зоны (E) для поверхности из полупроводника, возникает внешний или внутренний фотоэффект, изменяющий туннельный ток за счет фотоэффекта, т.е. локального увеличения концентрации электронов в зоне проводимости или уровня Ферми в металле. При этом величина дополнительного туннельного тока будет пропорциональна плотности оптической мощности и при размере оптического пятна, создаваемого фотонным кристаллом или одномодовым световодом, возможно достижения фототока, соизмеримого или больше туннельного. Таким образом, при перестройке зондирующей длины волны от ИК диапазона к видимому или УФ диапазону определяется пороговая длина волны λ, соответствующая появлению дополнительного локального фототока и соответственно определения элементного состава материала под зондом с пространственным наноразмерным разрешением из рабочей формулы
g
гр
E=1238/λ,
гр
A=1238/λ,
гр
где: λ - граничная длина волны в нм;
g
E, A - ширина запрещенной зоны для зондируемого полупроводника или работа выхода для металла, в электронвольтах, в данной точке поверхности.
гр
гр
гр
гр
У типичного полупроводникового материала из кремния граничная длина волны составляет λ=1200 нм, для германия λ=1800 нм, арсенида-галлия λ=860 нм (энергия фотонов hv=1.45 эВ), в то время как для типичных металлов λ порядка 300 нм.
Проведенные тестовые эксперименты показали, что если сфокусировать зондирующее оптическое излучение мощностью порядка 1 мВт в размер пятна, соизмеримый с длиной волны, т.е. порядка микрона, то изменение туннельного тока могут достигать десятков наноампер при локальном диаметре наноострия зонда порядка нескольких нм.