Сканирующая резистивная микроскопия


Сканирующая резистивная микроскопия (СРМ) – разновидность зондовой микроскопии. В качестве зонда необходимо использовать проводящий объект. Обычно его делают из кремния, после чего покрывают тонким слоем проводящего материала – золотом, сплавом платины и палладия или сплавом платины (80%) и иридия (20%). Однако такие зонды стираются, теряют проводимость, и их приходится заменять. Особенно быстро теряется золотое покрытие при сканировании поверхности золота – атомы металла с зонда соскальзывают на образец. Поэтому самые хорошие зонды делаются целиком из металла, лучшие – из сплава платины (80%) и иридия (20%).
Сканирование производится в контактном режиме, при постоянной силе воздействия на образец, поэтому область контакта остаётся также постоянной. На Рис.1 приведена схема сканирующего резистивного микроскопа.

Схема СРМ
Рис.1. Схема СРМ.

Сила тока в цепи измеряется наноамперметром, напряжение задаётся источником питания. Сопротивление контакта Rк рассчитывается по формуле (1) согласно закону Ома:

 I=U/(Rвнешн+Rк)          (1),

где Rвнешн – сопротивление измерительной системы, I – измеряемая амперметром сила тока, U – напряжение, задаваемое источником питания.

При сканировании образца меняется Rк, и именно на основании этой величины строятся карты поверхности. При этом в формуле (1) как правило Rвнешн<<Rк, и им пренебрегают. Вычислим Rк в предположении, что образец однороден и бесконечен, имеет удельное сопротивление ρ, игла продавливает поверхность, и её радиус закругления r0 (см. Рис. 2)

Рассчёт сопротивления контакта
Рис.2. Рассчёт сопротивления контакта.

Разбиваем образец на тонкие сферические слои толщины dr. Сопротивление каждого слоя:

dR=ρ dr/(2πr2)           (2).

Образец бесконечен, R→∞, поэтому полное сопротивление контакта вычисляется по формуле (3):

Rк=ρ/(2πr0), радиус закругления иглы r0 достаточно мал (несколько атомных радиусов), поэтому сопротивление контакта велико. При этом наибольший вклад в интеграл даёт малая область вблизи контакта иглы с поверхностью. Поэтому фактически измеряется сопротивление поверхности образца. Разрешение этого метода может быть сделано достаточно неплохим – с его помощью наблюдалась даже атомная решётка.
Метод СРМ позволяет наблюдать эффекты, которые не видны при использовании атомно-силовой микроскопии. Например, в работе Мешкова Г.Б. “Совмещённая атомно-силовая и сканирующая резистивная микроскопия полимерных и неорганических материалов” показана возможность наблюдения дислокационных дефектов и доменной структуры графита (см. Рис. 3-5).

Рис.3. Изображения отдельных дислокационных дефектов на поверхности графита, наблюдаемая в АСМ-СРМ. Слева приведена топография поверхности, а справа распределение тока по поверхности.
Рис.4. Изображения дислокационной сети на поверхности графита, наблюдаемая в АСМ-СРМ. Слева приведена топография поверхности, а справа распределение тока по поверхности.
Рис.5. Изображения доменной границы на поверхности графита, наблюдаемая в АСМ-СРМ. Слева приведена топография поверхности, а справа распределение тока по поверхности.