Сканирующие зондовые микроскопы

 
 
 
 
В. Д. Казаков 
 
 
 
 
СКАНИРУЮЩИЕ ЗОНДОВЫЕ 
МИКРОСКОПЫ 
 
Справочник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

 
УДК 537.533.35 
ББК 22.33 
 
 К14 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор (кафедра «Транспортно-технологические  
машины и комплексы», Чувашский государственный аграрный  
университет) Казаков Ю. Ф.; 
канд. техн. наук, доцент Медведев В. Г.  
 
 
 
 
 
Казаков, В. Д. 
К14  
Сканирующие зондовые микроскопы : справочник / 
В. Д. Казаков. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 108 с. : ил. 
ISBN 978-5-9729-1731-0 
 
Кратко изложены основы сканирующей зондовой микроскопии. 
Рассмотрены принципы работы основных типов зондовых микроскопов (сканирующего туннельного микроскопа, атомно-силового 
микроскопа, электросилового микроскопа, магнитно-силового 
микроскопа, ближнепольного оптического микроскопа), наиболее 
широко используемых в научных исследованиях. 
Для студентов факультета радиоэлектроники и автоматики. 
Может быть полезно специалистам, разрабатывающим наноустройства. 
 
УДК 537.533.35 
ББК 22.33 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1731-0 © Казаков В. Д., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В настоящее время бурно развивается научно-техническое 
направление нанотехнология, охватывающее широкий круг как 
фундаментальных, так и прикладных исследований. Это принципиально новая технология, способная решать проблемы в таких разных областях, как связь, биотехнология, микроэлектроника и энергетика.  
Нанотехнологии станут ведущими в XXI веке технологиями и будут способствовать развитию экономики и социальной 
сферы общества, они могут стать предпосылкой новой промышленной революции. 
Нанотехнологии позволят значительно уменьшить объем 
потребления ресурсов и не окажут давления на окружающую 
среду, они будут играть ведущую роль в жизни человечества, 
как, например, компьютер стал неотъемлемой частью жизни 
людей. 
Прогресс в нанотехнологии стимулировался развитием 
экспериментальных методов исследований, наиболее информативными из которых являются методы сканирующей зондовой 
микроскопии.  
Были предложены различные методы визуализации результатов взаимодействия зонд-поверхность, такие как: микроскопия латеральных сил, магнитно-силовая микроскопия, микроскопия регистрации магнитных, электростатических, электромагнитных взаимодействий. Получили интенсивное развитие 
методы ближнепольной оптической микроскопии. Были разработаны методы направленного, контролируемого воздействия в 
системе зонд-поверхность, например, нанолитография – изменения происходят на поверхности под действием электрических, 
магнитных воздействий, пластических деформаций, света в системе зонд-поверхность. Были созданы технологии производства зондов с заданными геометрическими параметрами, со спе3 

циальными покрытиями и структурами для визуализации различных свойств поверхностей. 
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) – один из 
мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. За последние годы сканирующая 
зондовая микроскопия превратилась в широко распространенный и успешно применяемый инструмент для исследования 
свойств поверхности. В настоящее время практически ни одно 
исследование в области физики поверхности и тонкопленочных 
технологий не обходится без применения методов СЗМ. Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило также основой для развития новых методов в нанотехнологии – технологии создания структур с нанометровыми масштабами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 

Глава 1 
 
СКАНИРУЮЩИЕ ЗОНДОВЫЕ  
МИКРОСКОПЫ (СЗМ) 
 
1.1. Принципы действия, требования к ним  
и особенности работы 
 
Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM – 
Scanning Probe Microscope) – класс микроскопов для получения 
изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трёхмерное 
изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением (рис. 1.1). 
 
 
Рис. 1.1. Схема сканирующего зондового микроскопа 
 
5 

Отличительной особенностью СЗМ от просвечивающего 
электронного микроскопа является наличие: 
– зонда; 
– системы перемещения зонда относительно образца по  
2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам; 
– регистрирующей системы. 
Регистрирующая система фиксирует значение функции, 
зависящей от расстояния зонд-образца. Обычно регистрируемое 
значение обрабатывается системой отрицательной обратной 
связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще 
всего используется ПИД-регулятор. 
Работа сканирующего зондового микроскопа основана на 
взаимодействии поверхности образца с зондом (кантилевер, игла или оптический зонд (рис. 1.2). При малом расстоянии между 
поверхностью и зондом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения, и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для 
регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине 
возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и 
Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры). 
Лазерный луч отражается от кончика кантилевера и попадает в центр детектора (фотодиод), разделенного на 4 сектора. 
При приближении зонда, находящегося на кончике балки, к поверхности образца возникают силы притяжения или отталкивания, отклоняющие зонд. В качестве регистрируемого сигнала 
используется расстояние, на которое надо сдвинуть кантилевер, 
чтобы вернуть отклонившийся луч лазера в центральную точку. 
 
6 

 
 
Рис. 1.2. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) 
 
– система ОС поддерживает постоянной величину изгиба; 
– остриё зонда находится в непосредственном механическом взаимодействии с поверхностью; 
– сканер поддерживает изгиб кантилевера; 
– задаваемый оператором напряжение на сканере пропорционально рельефу поверхности; 
– силы взаимодействия с образцом уравновешиваются силой упругости кантилевера; 
– лазер фокусируется на кантилевере; 
– отраженный пучок попадает в центр четырехсекционного фотодиода. 
Формирование изображения при постоянной силе взаимодействия зонда с образцом (рис. 1.3). 
Например, в атомно-силовой микроскопии регистрируют 
изменения силы притяжения иглы к поверхности от точки к 
точке. Игла расположена на конце консольной балочки (кантилевера), имеющей известную жесткость и способной изгибаться 
под действием небольших Ван-дер-ваальсовых сил, которые 
7 

возникают между исследуемой поверхностью и кончиком 
острия. Деформацию кантилевера регистрируют по отклонению 
лазерного луча, падающего на его тыльную поверхность, или с 
помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего в самом 
кантилевере при изгибе. 
 
 
 
Рис. 1.3. Сканирование при постоянной силе взимодействия 
зонда с образцом 
 
Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа: 
– конец зонда должен иметь размеры, сопоставимые с исследуемыми объектами; 
– обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема; 
– детекторы должны надежно фиксировать малые по величине возмущения регистрируемого параметра; 
– создание прецизионной системы развёртки; 
– обеспечение плавного сближения зонда с поверхностью. 
 
Особенности работы 
В настоящий момент в большинстве исследовательских 
лабораторий сканирующая зондовая и электронная микроскопия 
8 

используются как дополняющие друг друга методы исследования в силу ряда физических и технических особенностей. 
В сравнении с растровым электронным микроскопом 
(РЭМ) сканирующий зондовый микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдотрёхмерное изображение поверхности образца, СЗМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, в 
общем случае сканирующий зондовый микроскоп позволяет получать изображение как проводящей, так и непроводящей поверхности, тогда как для изучения непроводящих объектов с 
помощью РЭМ необходимо металлизировать поверхность. Для 
работы с РЭМ необходим вакуум, в то время как большая часть 
режимов СЗМ предназначена для исследований на воздухе, в 
вакууме и жидкости. Благодаря этому, с помощью СЗМ возможно изучать материалы и биологические объекты в нормальных для этих объектов условиях. Например, изучение биомакромолекул и их взаимодействий, живых клеток. В принципе, 
СЗМ способен дать более высокое разрешение, чем РЭМ. Так, 
было показано, что СЗМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума при отсутствии вибраций. Сверхвысоковакуумный СЗМ по разрешению 
сравним с просвечивающим электронным микроскопом. 
К недостатку СЗМ при его сравнении с РЭМ (растровый 
электронный микроскоп) также следует отнести небольшой 
размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать 
область поверхности размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров 
в вертикальной плоскости. У СЗМ максимальный перепад высот 
составляет несколько микрометров, как правило, не более 
25 мкм, а максимальное поле сканирования в лучшем случае – 
порядка 150×150 микрометров. Другая проблема заключается в 
том, что качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда или его 
9 

повреждении приводит к появлению артефактов на получаемом 
изображении. При этом подготовка образцов для СЗМ занимает 
меньше времени, чем для РЭМ. 
Обычный СЗМ не в состоянии сканировать поверхность 
так же быстро, как это делает РЭМ. Для получения СЗМизображения требуется от нескольких минут до нескольких часов, в то время как РЭМ после откачки способен работать практически в реальном масштабе времени, хотя и с относительно 
невысоким качеством. Из-за низкой скорости развёртки СЗМ 
получаемые изображения оказываются искажёнными тепловым 
дрейфом, что уменьшает точность измерения элементов сканируемого рельефа. Для увеличения быстродействия СЗМ было 
предложено несколько конструкций, среди которых можно выделить зондовый микроскоп, названный видеоАСМ. ВидеоАСМ 
обеспечивает получение удовлетворительного качества изображений поверхности с частотой телевизионной развёртки, что 
даже быстрее, чем на обычном РЭМ. Однако, применение ВидеоАСМ ограничено, так как он работает только в контактном 
режиме и на образцах с относительно небольшим перепадом 
высот. Для коррекции вносимых термодрейфом искажений было предложено несколько способов. 
Нелинейность, гистерезис и ползучесть (крип) пьезокерамики сканера также являются причинами сильных искажения 
СЗМ-изображений. Кроме того, часть искажений возникает  
из-за взаимных паразитных связей, действующих между X, Y,  
Z-манипуляторами сканера. Для исправления искажений в реальном масштабе времени современные СЗМ используют программное обеспечение (например, особенность-ориентированное сканирование) либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими 
системами, в состав которых входят линейные датчики положения. Некоторые СЗМ вместо сканера в виде пьезотрубки используют XY и Z-элементы, механически несвязанные друг с 
другом, что позволяет исключить часть паразитных связей.  
10