Особливості топометрії наноструктур методою атомно-силової мікроскопії
На прикладі реальних наноструктурованих поверхонь проаналізовано характерні особливості застосування метод мінімізації «ефекту зонду» в топометричних дослідженнях методою сканівної атомно-силової мікроскопії (АСМ). Подано практичні параметри оцінки ефективности комп’ютерної реконструкції зображень...
Saved in:
| Published in: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2008
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76014 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Особливості топометрії наноструктур методою атомно-силової мікроскопії / О.С. Литвин, П.М. Литвин, І.В. Прокопенко, Т.І. Шеремета // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 1. — С. 33-44. — Бібліогр.: 32 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859816882534612992 |
|---|---|
| author | Литвин, О.С. Литвин, П.М. Прокопенко, І.В. Шеремета, Т.І. |
| author_facet | Литвин, О.С. Литвин, П.М. Прокопенко, І.В. Шеремета, Т.І. |
| citation_txt | Особливості топометрії наноструктур методою атомно-силової мікроскопії / О.С. Литвин, П.М. Литвин, І.В. Прокопенко, Т.І. Шеремета // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 1. — С. 33-44. — Бібліогр.: 32 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | На прикладі реальних наноструктурованих поверхонь проаналізовано характерні особливості застосування метод мінімізації «ефекту зонду» в топометричних дослідженнях методою сканівної атомно-силової мікроскопії
(АСМ). Подано практичні параметри оцінки ефективности комп’ютерної
реконструкції зображень поверхні та її оптимізації. Показано, що комплексне застосування ріжних способів мінімізації спотворень геометричних
розмірів наноструктурних елементів поверхонь, які виникають внаслідок
скінченности розмірів вістря зонду, забезпечує одержання адекватних топометричних даних.
Peculiarities of ‘tip effect’ minimization techniques’ usage in topometric investigations
using scanning atomic force microscopy are analyzed using real
nanostructured surfaces as examples. Practical parameters for the computer
surface-image reconstruction efficiency evaluation and optimization are presented.
As shown, the combined use of various techniques for minimization
of distortions in geometrical sizes of surface nanostructures caused by finite
tip sizes provides adequate topometric data.
В работе на примере реальных наноструктурированных поверхностей проанализированы особенности применения методов минимизации «эффекта
зонда» в топометрических исследованиях методом сканирующей атомносиловой микроскопии (АСМ). Представлены практические параметры оценки эффективности компьютерной реконструкции изображений поверхности
и ее оптимизации. Показано, что комплексное применение разных способов
минимизации искажений геометрических размеров наноструктурных элементов поверхностей, которые возникают вследствие конечных размеров острия зонда, обеспечивает получение адекватных топометрических данных.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:23:04Z |
| format | Article |
| fulltext |
33
PACS numbers: 07.79.Lh, 61.46.-w, 68.37.Ps, 68.65.-k, 81.07.-b, 81.16.Ta, 82.37.Gk
Особливості топометрії наноструктур
методою атомно-силової мікроскопії
О. С. Литвин, П. М. Литвин, І. В. Прокопенко, Т. І. Шеремета
Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України,
просп. Науки, 41,
03028 Київ, Україна
На прикладі реальних наноструктурованих поверхонь проаналізовано ха-
рактерні особливості застосування метод мінімізації «ефекту зонду» в то-
пометричних дослідженнях методою сканівної атомно-силової мікроскопії
(АСМ). Подано практичні параметри оцінки ефективности комп’ютерної
реконструкції зображень поверхні та її оптимізації. Показано, що компле-
ксне застосування ріжних способів мінімізації спотворень геометричних
розмірів наноструктурних елементів поверхонь, які виникають внаслідок
скінченности розмірів вістря зонду, забезпечує одержання адекватних то-
пометричних даних.
Peculiarities of ‘tip effect’ minimization techniques’ usage in topometric in-
vestigations using scanning atomic force microscopy are analyzed using real
nanostructured surfaces as examples. Practical parameters for the computer
surface-image reconstruction efficiency evaluation and optimization are pre-
sented. As shown, the combined use of various techniques for minimization
of distortions in geometrical sizes of surface nanostructures caused by finite
tip sizes provides adequate topometric data.
В работе на примере реальных наноструктурированных поверхностей про-
анализированы особенности применения методов минимизации «эффекта
зонда» в топометрических исследованиях методом сканирующей атомно-
силовой микроскопии (АСМ). Представлены практические параметры оцен-
ки эффективности компьютерной реконструкции изображений поверхности
и ее оптимизации. Показано, что комплексное применение разных способов
минимизации искажений геометрических размеров наноструктурных эле-
ментов поверхностей, которые возникают вследствие конечных размеров ост-
рия зонда, обеспечивает получение адекватных топометрических данных.
Ключові слова: атомно-силова мікроскопія, «ефект зонду», комп’ютерна
реконструкція зображення, «сліпа» реконструкція вістря зонду.
(Отримано 15 червня 2007 р.)
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2008, т. 6, № 1, сс. 33—44
© 2008 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
34 О. С. ЛИТВИН, П. М. ЛИТВИН, І. В. ПРОКОПЕНКО, Т. І. ШЕРЕМЕТА
1. ВСТУП
Головним напрямком сучасних технологій в електроніці є мініатюри-
зація приладів із використанням тих унікальних властивостей, яких
набувають системи при переході до нанометрового рівня [1—5]. Оскі-
льки фізичні властивості систем із низьковимірними елементами за-
лежать від форми, розмірів, структури та впорядкування останніх,
значний науково практичний інтерес має виявлення механізмів фор-
мування наноструктурних елементів (квантових точок, ниток, кілець,
масивів нитковидних кристалів та ін.) та їх застосування при створен-
ні приладних структур з наперед заданими характеристиками.
Сканівна зондова мікроскопія (СЗМ) є однією із потужних метод
для діагностики широкого кола властивостей наноструктур та їх
контрольованої модифікації [6—8]. Такі, широко відомі методи СЗМ
як атомно-силова мікроскопія (АСМ) та тунельна легко досягають
субонґштремної роздільчої здатності на атомарно гладких та чистих
поверхнях. Однак, при проведенні досліджень наноструктурованих
поверхонь (поверхонь із розмірами окремих їх деталей порядку 1—
10 нм) існує проблема «ефекту зонду» [6, 8]. У випадку, коли вістря
зонду сумірне з елементами поверхні, взаємодіяти з ними можуть
ріжні точки поверхні вістря, при цьому його геометрія може значно
обмежувати роздільчу здатність зображення у горизонтальній пло-
щині та спотворювати дані про реальні форму і розміри поверхневих
структур. У такому випадку результатом вимірювань є згортка фо-
рми зонду СЗМ та форми досліджуваного нанооб’єкту. Тут слід за-
значити, що під терміном «зображення» маються на увазі цифрові
тривимірні карти рельєфу, представлені засобами комп’ютерної
графіки у вигляді двовимірних відтінкових карт висот чи тривимір-
них аксонометричних побудов.
Проблему мінімізації «ефекту зонду» в результатах СЗМ топоме-
трії можна вирішувати двома шляхами. Перший – застосування
зондів з надмалими розмірами вістря (радіюс близько 1 нм). Тут
найчастіше використовуються ріжні технології загострення зви-
чайних кремнійових зондів та додаткового вирощування на вістрі
кремнійового зонду нитковидних кристалів ріжноманітних матері-
ялів або вуглецевих нанотрубок [9—14].Такий підхід забезпечує
підняття роздільчої здатності зображень до молекулярного рівня.
Однак, у своїй більшості, ультрагострі зонди ефективні на поверх-
нях із розмахом висот до 20 нм (це не стосується спеціальних зондів
для вимірювань вертикальних стінок деталей рельєфу мікронної
висоти). Крім того, їх висока комерційна вартість та, часто, малий
ресурс стають на заваді широкого використання.
Другий спосіб – це програмна реконструкція експериментально
одержаних АСМ-зображень, при якій із зображення виокремлю-
ється внесок зонду за відомою формою вістря [15—20]. При такому
ТОПОМЕТРІЯ НАНОСТРУКТУР МЕТОДОЮ АТОМНО-СИЛОВОЇ МІКРОСКОПІЇ 35
підході ключовим є встановлення форми робочої частини вістря.
Тут, окрім простого наближення поверхнею другого порядку [15],
реальна форма вістря визначається за спеціальними тестовими
структурами [21, 22], або за методою так званої «сліпої» реконстру-
кції із вже виміряного зображення [17, 23, 24]. Метода наближення
форми вістря поверхнею другого порядку дає найбільшу похибку і
нами розглядатися не буде. Разом з тим, дві наступні методи також
мають свої недоліки і переваги. Наприклад, використання тестових
структур є оптимальним, коли їх геометричні параметри не просто
менші за параметри вістря зонду, а є сумірними із деталями рельє-
фу, який передбачається досліджувати. Крім того, цей спосіб конт-
ролю форми вістря вимагає додаткових тестових вимірювань перед
та після проведення топометричних досліджень поверхонь і є не-
ефективним, якщо форма вістря змінилася в процесі вимірювань. У
свою чергу, вістря зонду, відтворене за методою «сліпої» реконст-
рукції, є вістрям максимально можливих розмірів, яким ще можна
одержати зображення, яке реконструюється [23].
Таким чином, існуючі способи мінімізації «ефекту зонду» не є
самодостатніми і забезпечити коректні результати топометричних
досліджень наноструктурованих поверхонь можна тільки чітко
розуміючи їх недоліки, переваги та межі застосовності. Саме цим
питанням і присвячено пропоновану роботу.
2. ЕКСПЕРИМЕНТ
Дослідження виконувалися на СЗМ Quadrexed Dimension 3000 Nano-
Scope IIIa із сканером типу G (Digital Instruments, США) за методою
атомно-силової мікроскопії у режимі періодичного контакту. Викорис-
товувалися АСМ-зонди двох типів: звичайні кремнійові зонди NSG-11 із
номінальним радіюсом заокруглення вістря до 10 нм (NT-MDT, Росія)
[25] та ультрагострі зонди DP14/HI’RES/Al BS з радіюсом заокруглення
вістря меншим 1 нм (MikroMasch, Росія) [26]. Радіюс вістря звичайних
зондів контролювався за тестовою ґраткою TGT1 (NT-MDT) [27].
Модельними зразками були наноострівцеві плівки Sn(Pb)Te на
монокристалах BaF2(111), вирощені методою «гарячої стінки». Де-
тальний опис методи одержання та параметри цих структур в залеж-
ності від технологічних режимів опубліковано, зокрема, в [28—30].
Програмна реконструкція експериментальних АСМ-даних здійсню-
валася в середовищі MathLab та Scanning Probe Image Processor.
3. РЕЗУЛЬТАТИ ТА ОБГОВОРЕННЯ
3.1. Особливості застосування ультрагострих зондів
При топометричних дослідженнях наноструктурних елементів пове-
36 О. С. ЛИТВИН, П. М. ЛИТВИН, І. В. ПРОКОПЕНКО, Т. І. ШЕРЕМЕТА
рхонь слід розріжняти величину роздільчої здатності самого СЗМ та
зображення. Реальна роздільча здатність зображення визначається
співвідношенням кроку сканування та радіюсом вістря зонду. Так
при апаратній точності горизонтального позиціонування сканера
СЗМ, вищій за 0,5 нм, роздільча здатність зображення (крок скану-
вання) розміром 500×500 нм, записаного у масив даних ємністю
512×512 точок, складатиме близько 1 нм. А виходячи із простих гео-
метричних міркувань, зонд із радіюсом вістря 10 нм зможе розділи-
ти дві точки поверхні, між якими є заглибина в 0,1 нм, починаючи з
мінімальної відстані між ними в 3 нм (
0,5
min {4 (2 )}d z R z= Δ − Δ , де R –
радіюс вістря зонду, Δz – глибина впадини між точками поверхні),
реалізовуючи при цьому роздільчу здатність 1,5 нм. Зрозуміло, що
зменшуючи тільки крок сканування (наприклад, записуючи зобра-
ження 250×250 нм) досягнути вищої роздільчої здатності зображен-
ня не вдасться внаслідок надто великого радіюса вістря. В той же
час, ультрагострий зонд із радіюсом вістря 1 нм забезпечуватиме го-
ризонтальну роздільчу здатність на рівні 0,5 нм і адекватним йому
полем сканування буде 300×300нм (рис. 1).
Із рисунку 1, а видно, що у випадку щільно розташованих нано-
острівців (НО) SnTe малих розмірів (порядку 5—20 нм) має місце
значний «ефект зонду», який включає в себе як розширення НО,
так і неможливість проникнення вістря у вузькі впадини між ними.
У свою чергу використання ультра гострого зонду усунуло обидві
причини спотворення даних (рис. 1, б). Порівняння даних вимірю-
вання стандартним та ультрагострим зондами показав, що похибка
визначення такого важливого для аналізу ростових процесів пара-
метру, як коефіцієнт форми (відношення висоти до діаметру основи
НО), при скануванні стандартним зондом досягає 55%.
Ситуація змінюється, якщо досліджувати НО розміром 15—60 нм,
а б
Рис. 1. АСМ-зображення НО SnTe на BaF2, одержане стандартним (а) та
надгострим (б) зондами. Випадок щільного розташування НО на поверхні.
Білі криві – перерізи зображень.
ТОПОМЕТРІЯ НАНОСТРУКТУР МЕТОДОЮ АТОМНО-СИЛОВОЇ МІКРОСКОПІЇ 37
розміщені на достатній відстані один від одного (рис. 2). Ріжниця
між зображеннями, отриманими звичайним та ультрагострим зон-
дами, зумовлена тільки розширенням зерна (вістря проникає до під-
кладки). Узагальнюючи результати аналізу розмірів зерен за рис. 2,
можна побудувати залежність похибки вимірювань діаметрів НО від
їх розмірів при використанні звичайних кремнійових зондів із номі-
нальним радіюсом вістря 10 нм (рис. 3).
Наша залежність добре узгоджується із відомою наближеною
формулою для корекції «ефекту зонду» [31]:
а б
Рис. 2. АСМ зображення НО SnTe на BaF2, одержане стандартним (а) та
надгострим (б) зондами. Випадок вільного розташування НО на поверхні.
Рис. 3. Похибка вимірювання діаметру елементів поверхні залежно від їх
латеральних розмірів у випадку сканування в режимі періодичного кон-
такту кремнійовим зондом NSG 11 (NT-MDT, Росія) із радіюсом заокруг-
лення вістря 10 нм за зображеннями з рис. 2.
38 О. С. ЛИТВИН, П. М. ЛИТВИН, І. В. ПРОКОПЕНКО, Т. І. ШЕРЕМЕТА
( )21 8 /D d Rh d= − , (1)
де d, h – діаметр та висота НО, одержані із АСМ-зображення.
Наведена рівність справедлива тільки у випадку, коли вертика-
льна роздільча здатність АСМ-зображень не залежить від радіюса
зонду, тобто, коли відстань між сусідніми елементами поверхні бі-
льша його радіюса. Таким, чином у вказаному випадку (рис. 2) не-
має необхідності застосовувати ультрагострі зонди, для коректного
аналізу елементів поверхні достатньо використання (1).
3.2. Усунення впливу геометрії АСМ-зонда на зображення поверхні
методою комп’ютерної реконструкції
Основою всіх альґоритмів реконструкції є виділення двох точок на
вістрі зонду: дійсна точка контакту вістря і поверхні (R – real) та
так називана зображувальна точка вістря, рух якої відслідковує
мікроскоп для формування зображення (A – apparent) [15]. Тоді
для відновлення реального профілю поверхні в точці Х′(х′, y′) по-
трібно в кожній її точці визначити два параметри (рис. 4):
– латеральну відстань між точками A та R ΔХ = ΔХ(х′, y′) = Х′ − Х;
– вертикальну відстань між ними (Δt).
Якщо s(x, y) – реальна поверхня, t(∆Х) – поверхня вістря, то
умовою їх контакту повинна бути спільна дотична в точці контакту:
dt(ΔХ)/dΔХ = ds(Х)/dХ.
З другого боку, можна показати, що нахил нереконструйованої
поверхні i(x, y) АСМ-зображення в точці Х′ дорівнює нахилу реаль-
Рис. 4. До реконструкції реальної поверхні матеріялу за відомими формою
вістря зонду та АСМ-зображенням: s(x, y) – реальна поверхня, t(ΔХ) –
поверхня вістря, i(x, y) – нереконструйоване АСМ-зображення.
ТОПОМЕТРІЯ НАНОСТРУКТУР МЕТОДОЮ АТОМНО-СИЛОВОЇ МІКРОСКОПІЇ 39
ної поверхні в точці Х:
dі(Х′)/dХ′ = ds(Х)/dХ.
Звідси
dt(ΔХ)/dΔХ = ds(Х)/dХ = dі(Х′)/dХ′. (2)
Таким чином, маємо зв’язок всіх трьох функцій, а для однознач-
ного розв’язку – сталу Δt.
Функцію t(ΔX) в залежності від типу поверхні і потрібної точ-
ності реконструкції можна задавати ріжними способами:
– апроксимація вістря поверхнями другого порядку (як прави-
ло, параболоїдом обертання);
– визначення реальної форми вістря після сканування:
– за допомогою растрової електронної мікроскопії (форма встанов-
люється тільки частково);
– із застосуванням тестових зразків з елементами наперед зада-
них розмірів, менших чи співмірних із вістрям (встановлюється
тривимірна форма вістря);
– «сліпа» реконструкція (blind reconstruction) вістря тільки за
одержаним АСМ-зображенням (встановлюється тривимірна фор-
ма вістря у наближенні вістря максимального розміру, здатного
зареєструвати дане зображення).
З перелічених вище метод одержання форми вістря найбільш
продуктивною є «сліпа» реконструкція. Метода не вимагає додат-
кових вимірювань, немає необхідності в експорті/імпорті масиву
даних, які задають форму поверхні вістря, реконструюється тільки
найбільш суттєва зображувальна частина вістря та ін. Однак при
всіх перевагах дана метода має певні обмеження, які є неочевидни-
ми, але можуть суттєво вплинути на результати реконструкції.
Здійснення «сліпої» реконструкції вістря базується на таких по-
ложеннях [23, 24]: 1) жоден елемент зображення не може бути
меншим вістря зонду, яким воно було одержане; 2) якщо в процесі
сканування зонд торкався тільки однієї точки поверхні, то кожна
точка зображення повинна співпадати з деякою точкою зовнішньої
границі вістря (точкою дотику).
Приймається, що елементи зображення І, сумірні з розміром віс-
тря, відтворюють його зовнішню границю Р. За рекурентними спів-
відношеннями здійснюється порівняння границь вістря в кожній
точці і зображення [23]:
[ ]1 ( ) ( )i i i
x I
P I x P x P+
∈
′= − ⊕ ∩I , де ( ) ( )i iP x P x I′ = ∩ − . (3)
Зовнішньою межею вістря PR є найвужча з усіх можливих:
40 О. С. ЛИТВИН, П. М. ЛИТВИН, І. В. ПРОКОПЕНКО, Т. І. ШЕРЕМЕТА
( )
limR ii
P P
→∞
= . (4)
За початкове значення форми вістря береться плаский зонд у доста-
тньо великому околі зображення. Типовим є наступне задавання Р0:
0
0 для / 2 і / 2,
,
x yx s y s
P
⎧ < <⎪= ⎨
−∞⎪⎩
(5)
де sx×sy — площина АСМ-зображення поверхні.
В експериментальних дослідженнях, використовуючи зазначе-
ний вище альґоритм реконструкції вістря, ми виявили наступні
особливості:
а б
Рис. 5. Нереконструйовані АСМ-зображення (а) та їх карти вірогідності
(б) для поверхонь із ріжним розміщенням та формою НО.
ТОПОМЕТРІЯ НАНОСТРУКТУР МЕТОДОЮ АТОМНО-СИЛОВОЇ МІКРОСКОПІЇ 41
1) якщо поверхня регулярна (дифракційні ґратки, травлені монокри-
сталічні поверхні, квантові точки близьких розмірів і форми тощо), то
множина можливих границь вістря обмежена, що може привести до
відображення регулярних елементів рельєфу у формі вістря;
2) при аналізі гладких поверхонь (розмах висот Z яких порядку 2—3
нм) множина можливих меж вістря охоплює тільки дуже малу його
область – Δt, близьке до 0; це призводить до неправдоподібно вели-
кого радіюса заокруглення вістря зонду:
0Z
R →⎯⎯⎯⎯→ ∞ ;
3) ріжного роду апаратні ефекти, що не пов’язані із зондом, але про-
явились у зображенні (локальні викиди, шуми, дрейф сканера,
надто велика/мала сила взаємодії зонду з поверхнею та ін.) знай-
дуть своє відображення у програмно відтвореній формі вістря;
4) відомо, що для коректного відтворення неперервної функції з
дискретних значень при застосуванні ступеневої інтерполяції ви-
значальним є крок дискретизації (крок сканування) [32].
При зміні розмірів поля сканування від 0,1×0,1 мкм до 100×100
мкм та розмірі матриці даних 512×512, крок сканування змінюва-
тиметься від 0,2 до 195,3 нм. Тому, для коректної реконструкції
поверхні зонду із радіюсом заокруглення 10 нм можна використо-
вувати тільки зображення розміром до 1×1 мкм.
Слід також зауважити, що незалежно від способу одержання фо-
рми вістря зонду, реконструйоване зображення може точно співпа-
дати з реальною поверхнею зразка при умові, що в процесі скану-
вання в кожен момент часу вістря торкається тільки однієї точки
поверхні, і, як наслідок, вістря при скануванні може торкнутись
будь-якої точки поверхні. В іншому випадку залишатимуться так
звані «сліпі зони» поверхні, відтворити які коректно неможливо. Їх
форма і розмір залежатимуть від геометричної форми вістря зонду.
Зокрема, для звичайного кремнійового зонду із вістрям у формі чо-
тирикутної піраміди; це – зони, розміщені під кутом відносно вер-
тикалі, меншим, ніж кут при вершині піраміди величиною 11° [25]
або пори, вужчі вістря зонду. Альґоритм реконструкції АСМ-
зображень дозволяє легко зобразити «сліпі» зони поверхні у вигля-
ді так званих карт довіри (uncertainty map) (рис. 5), що може бути
критерієм застосовності зонду даної геометрії. Якщо площа «слі-
пих» зон (відмічені білим кольором) складає понад 60% від загаль-
ної площі зображення, то програмна реконструкція буде некорект-
ною і слід використовувати більш гострі зонди (див., наприклад,
рис. 1).
Приклад застосовності програмної реконструкції зображень на
поверхні із гранично допустимою площею «сліпих» зон для зразку з
НО SnTe показаний на рис. 6. В даному випадку «сліпою» є зона при
42 О. С. ЛИТВИН, П. М. ЛИТВИН, І. В. ПРОКОПЕНКО, Т. І. ШЕРЕМЕТА
основі НО, тому реконструкція не приводить до змін розмірів осно-
ви острівця. В зв’язку з цим, на нашу думку, при аналізі розмірів
НО як латеральну характеристику більш коректно застосовувати
діаметр перерізу НО на половині його висоти (див. вставки на рис.
6, а, б), оскільки на цьому рівні реконструкція наближає розміри і
форму НО до реальної, а у разі необхідності, значення основи роз-
раховувати за екстраполяцією форми острівця.
Для порівняння на рис. 6, в показано зображення цього ж зразка
у високороздільчому (1 нм) цифровому електронному мікроскопі
Zeiss Ultra 55. Видно, що на відміну від нереконструйованого зо-
браження, де НО відображені у вигляді півсфер, на реконструйова-
ному НО відображаються коректно – у вигляді трикутних пірамід
(для наочності див. фраґмент тривимірного представлення), що по-
вністю співпадає із даними електронної мікроскопії.
Крім викладених вище особливостей топометрії елементів нанос-
труктурних систем, пов’язаних із геометрією вістря зонду, слід
пам’ятати про інші джерела спотворення рельєфу реальних повер-
20
н
м
20 нм100 нм
100 нм 100 нм
0
6
−6
Ïîëîæåíèå, íì
10 30 50
0
6
−6
10 30 50
Â
û
ñî
òà
,
í
ì
Â
û
ñî
òà
,
í
ì
Ïîëîæåíèå, íì
â
à á
ã
Рис. 6. АСМ-зображення фраґменту поверхні і переріз НО системи SnTe/BaF2
до (а) та після (б, г) комп’ютерної реконструкції; в – зображення поверхні у
високороздільчому (1 нм) цифровому електронномумікроскопі.
ТОПОМЕТРІЯ НАНОСТРУКТУР МЕТОДОЮ АТОМНО-СИЛОВОЇ МІКРОСКОПІЇ 43
хонь в результатах СЗМ-досліджень, таких як:
– спотворення, зумовлені сканером: нелінійна залежність видов-
ження п’єзоелектричного матеріялу від прикладеної напруги, гіс-
терезис, дрейф, старіння матеріялу;
– неоптимальні параметри сканування: крок та швидкість скану-
вання, підсилення сигналу, тиск голки на поверхню;
– спотворення, привнесені некоректною цифровою обробкою даних;
– накладання неконтрольованих фізичних взаємодій зонд-поверхня.
Внесок тієї чи іншої з вищеназваних причин в СЗМ-зображення
залежить від типу поверхні, режиму сканування та апаратного ви-
конання самого мікроскопу. Однак мінімізувати чи навіть повністю
виключити вплив цих причин на результати вимірювання значно
легше у порівнянні з «ефектом зонду».
4. ВИСНОВКИ
Таким чином, комплексне застосування способів мінімізації «ефек-
ту зонду» в АСМ топометричних дослідженнях дозволяє коректно
визначати розміри та форму наноструктурних елементів (зокрема
наноострівців діаметром від 5—10 нм). При цьому контроль форми
вістря зонду є обов’язковим. Застосування методи комп’ютерної
реконструкції зображень за відомою формою вістря з одного боку
дозволяє оцінити ступінь вірогідності зображення за «картами до-
віри» і зважити необхідність застосування ультрагострих зондів, а з
іншого – дозволяє досить ефективно мінімізувати вплив «ефекту
зонду» на поверхнях із «сліпими зонами» площею до 60%. Можна
припустити, що реконструкція зображень, отриманих надгострими
зондами також є коректною для поверхонь виміряних із вірогідніс-
тю, вищою за 40%. При цьому використання «сліпої» реконструк-
ції для відтворення форми ультрагострих зондів є чи не єдиним ре-
альним способом відтворити форму їх вістря у зв’язку із неможли-
вістю виготовити відповідні тестові структури. Реконструкція
АСМ-зображень, одержаних надгострими зондами при оптималь-
них кроках сканування та мінімальних спотвореннях, привнесених
апаратурними похибками, може забезпечити коректну топометрію
НО в діапазоні діаметрів, менших за 5 нм.
Роботу виконано за підтримки Міністерства освіти та науки Украї-
ни (грант № М/175-2007).
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. B. Bhushan, Springer Handbook of Nanotechnology (Springer: 2004).
2. Ya. Masumoto and T. Takagahara, Semiconductor Quantum Dots: Physics,
Spectroscopy and Applications (Springer: 2003).
44 О. С. ЛИТВИН, П. М. ЛИТВИН, І. В. ПРОКОПЕНКО, Т. І. ШЕРЕМЕТА
3. V. A. Schukin, N. N. Ledentsov, and D. Bimberg, Epitaxy of Nanostructures
(Springer: 2004).
4. Ч. Пул, Ф. Оуэнс. Мир материалов и технологий. Нанотехнологии (Мо-
сква: Техносфера: 2001).
5. Н. Кобаяси, Введение в нанотехнологию (Москва: БИНОМ. Лаборатория
знаний: 2005).
6. R. Wiesendanger, Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy: Methods
and Applications (Cambridge University Press: 1994).
7. W. I. Schultze, Electrochemical Microsystem Technologies (Taylor&Francis: 2002).
8. K. S. Birdi, Scanning Probe Microscopes. Applications in Science and Tech-
nology (CRC Press: 2003).
9. В. А. Быков, А. Н. Гологанов, Н. З. Салахов, Д. В. Шабратов, Патент
на изобретение № 2121657. Приоритет от 08.05.97.
10. A. J. Melmed, J. Vac. Sci. Technol., 9, No. 2: 601 (1991).
11. В. А. Биков, Микросистемная техника, № 1: 21 (2000).
12. V. A. Bykov, V. V. Dremov, V. Losev et al., Materials of the All-Russian Conference
‘Probe Microscopy—2000’ (Nizhni Novgorod: IPN RAS: 2000), p. 298.
13. Г. В. Дедков, С. Ш. Рехвиашвили, ЖТФ, 69, вып. 8: 124 (1999).
14. Sh. Kuwahara, S. Akita, M. Shirakihara et al., Chemical Physics Letters,
429: 581 (2006).
15. D. Keller, Surface Science, 253: 351 (1991).
16. А. А. Бухараев, Ф. Ф. Губайдуллин, А. В. Назаров, Открытия. Изобре-
тения, № 44 (1992).
17. N. Bonnet, S. Dongmo, P. Vautrot, and M. Troyon, Microsc. Microanal. Mi-
crostruct., 5: 477 (1994).
18. А. А. Бухараев, Н. И. Нургазизов, А. А. Можанова, Д. В. Овчинников, Химия
и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения, № 3: 25 (2000).
19. S. Belikov and S. Magonov, Japanese J. of Applied Physics, 45, No. 3B:
2158 (2006).
20. L. X Li., R. P. Liu, Z. Xu et al., Measurement, 39: 12 (2006).
21. P. Markiewicz and M. C. Goh, Rev. Sci. Instrum., 66, No. 5: 3186 (1995).
22. U. Hubner, W. Morgenroth, H. G. Meyer et al., Appl. Phys. A, 76: 913 (2003).
23. J. S. Villarrubia, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., 102: 425 (1997).
24. L. S. Dongmo, J. S. Villarrubia, S. N. Jones et al., Ultramicroscopy, 85: 141 (2000).
25. http://www.ntmdt-tips.com/catalog/golden/non/products/NSG11_50.html
26. http://www.spmtips.com/dp14/hires
27. http://www.ntmdt-tips.com/catalog/gratings/afm_cal/products/TGT1.html
28. G. V. Lashkarev, M. V. Radchenko, E. I. Slynko et al., Semiconductor Phys-
ics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 3, No. 3: 295 (2000).
29. В. Н. Водопьянов, А. П. Бахтинов, Е. И. Слынько и др., Письма в ЖТФ,
31, вып. 16: 88 (2005).
30. T. I. Sheremeta, I. V. Prokopenko, P. M. Lytvyn et al., Functional Materials,
14, No. 1: 86 (2007).
31. S. O. Ferreira, B. R. A. Neves, R. Magalhaes-Paniago et al., J. Crystal Growth,
231: 121 (2001).
32. О. С. Белима, О. Д. Боличевцев, Й. І. Гребень, Теоретичні основи
централізованого контролю технологічних процесів: Навчальний посіб-
ник (Київ: Вища школа: 1973).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76014 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:23:04Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Литвин, О.С. Литвин, П.М. Прокопенко, І.В. Шеремета, Т.І. 2015-02-07T12:31:26Z 2015-02-07T12:31:26Z 2008 Особливості топометрії наноструктур методою атомно-силової мікроскопії / О.С. Литвин, П.М. Литвин, І.В. Прокопенко, Т.І. Шеремета // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 1. — С. 33-44. — Бібліогр.: 32 назв. — укр. 1816-5230 PACS numbers :07.79.Lh,61.46.-w,68.37.Ps,68.65.-k,81.07.-b,81.16.Ta,82.37.Gk https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76014 На прикладі реальних наноструктурованих поверхонь проаналізовано характерні особливості застосування метод мінімізації «ефекту зонду» в топометричних дослідженнях методою сканівної атомно-силової мікроскопії (АСМ). Подано практичні параметри оцінки ефективности комп’ютерної реконструкції зображень поверхні та її оптимізації. Показано, що комплексне застосування ріжних способів мінімізації спотворень геометричних розмірів наноструктурних елементів поверхонь, які виникають внаслідок скінченности розмірів вістря зонду, забезпечує одержання адекватних топометричних даних. Peculiarities of ‘tip effect’ minimization techniques’ usage in topometric investigations using scanning atomic force microscopy are analyzed using real nanostructured surfaces as examples. Practical parameters for the computer surface-image reconstruction efficiency evaluation and optimization are presented. As shown, the combined use of various techniques for minimization of distortions in geometrical sizes of surface nanostructures caused by finite tip sizes provides adequate topometric data. В работе на примере реальных наноструктурированных поверхностей проанализированы особенности применения методов минимизации «эффекта зонда» в топометрических исследованиях методом сканирующей атомносиловой микроскопии (АСМ). Представлены практические параметры оценки эффективности компьютерной реконструкции изображений поверхности и ее оптимизации. Показано, что комплексное применение разных способов минимизации искажений геометрических размеров наноструктурных элементов поверхностей, которые возникают вследствие конечных размеров острия зонда, обеспечивает получение адекватных топометрических данных. Роботу виконано за підтримки Міністерства освіти та науки України (грант № М/175-2007). uk Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Особливості топометрії наноструктур методою атомно-силової мікроскопії Peculiarities of Nanostructures Topometry Studied by Atomic Force Microscopy Methods Article published earlier |
| spellingShingle | Особливості топометрії наноструктур методою атомно-силової мікроскопії Литвин, О.С. Литвин, П.М. Прокопенко, І.В. Шеремета, Т.І. |
| title | Особливості топометрії наноструктур методою атомно-силової мікроскопії |
| title_alt | Peculiarities of Nanostructures Topometry Studied by Atomic Force Microscopy Methods |
| title_full | Особливості топометрії наноструктур методою атомно-силової мікроскопії |
| title_fullStr | Особливості топометрії наноструктур методою атомно-силової мікроскопії |
| title_full_unstemmed | Особливості топометрії наноструктур методою атомно-силової мікроскопії |
| title_short | Особливості топометрії наноструктур методою атомно-силової мікроскопії |
| title_sort | особливості топометрії наноструктур методою атомно-силової мікроскопії |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76014 |
| work_keys_str_mv | AT litvinos osoblivostítopometríínanostrukturmetodoûatomnosilovoímíkroskopíí AT litvinpm osoblivostítopometríínanostrukturmetodoûatomnosilovoímíkroskopíí AT prokopenkoív osoblivostítopometríínanostrukturmetodoûatomnosilovoímíkroskopíí AT šeremetatí osoblivostítopometríínanostrukturmetodoûatomnosilovoímíkroskopíí AT litvinos peculiaritiesofnanostructurestopometrystudiedbyatomicforcemicroscopymethods AT litvinpm peculiaritiesofnanostructurestopometrystudiedbyatomicforcemicroscopymethods AT prokopenkoív peculiaritiesofnanostructurestopometrystudiedbyatomicforcemicroscopymethods AT šeremetatí peculiaritiesofnanostructurestopometrystudiedbyatomicforcemicroscopymethods |