Методы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) позволяют с высоким локальным разрешением получать трёхмерное изображение поверхности, визуализировать качественное распределение и получать количественные данные о её электрических, магнитных и трибологических и других характеристиках. [1, 2]
Одним из мощных методов СЗМ является метод отображения сопротивления растекания, позволяющий выявить однородность по распределению концентрации носителей заряда, степень кристалличности нанокомпозитов, исследовать интерфейсные явления, приборные структуры, такие как HEMT-транзисторы [3, 4], сенсорных слоев [5, 6]
Суть метода заключается в следующем: сканирование проводится проводящим зондом АС‑микроскопа в контактном режиме, при этом сила прижима зонда к поверхности (изгиб кантилевера) поддерживается постоянной. К зонду прикладывается напряжение смещения, и регистрируется результирующий ток через образец в зависимости от положения зонда одновременно с получением данных о рельефе.
Рис. 1. Схема измерений в режиме отображения сопротивления растекания
На рисунке 1 схематически показан зондовый датчик для проведения измерений в режиме сопротивления растекания, где 1 — омический контакт; 2 — зонд; 3 — лазерный луч; 4 — отражающее покрытие; 5 — кантилевер; 6 — кремниевый чип; 7 — проводящее покрытие; 8 — амперметр; 9 — поверхность образца.
В предположении постоянного контактного сопротивления зонд–поверхность при заданном смещении значение измеряемого тока пропорционально локальному сопротивлению исследуемого образца.
При измерении вольтамперных характеристик зонд, задерживаясь над поверхностью, может вызывать перегрев образца и изменение сопротивления в данной точке. [7, 8] Для того чтобы поверхность образца не подвергалась такому интенсивному воздействию, можно использовать каждое сканирование в режиме сопротивления растекания как отдельную точку для вольт-амперной характеристики.
Исследования проводились в сканирующем зондовом микроскопе ИНТЕГРА Терма со сниженным уровнем температурных дрейфов. Тип зонда и геометрия острия определяют в каких методиках можно использовать данный зонд [9]. Были использованы зондовые датчики DCP11 с алмазоподобным покрытием, которые отличаются наличием двух прямоугольных кантилеверов. Радиус закругления острия порядка 100 нм.
Исследовались полупроводниковые материалы (серия образцов, полученных химическим осаждением из газовой фазы ZnSnO3; VO2/Al на ситалле; скол GaAs; PbS/Si). На примере тестового образца (рис. 3), состоящего из напылённых на ситалловую подложку металлических площадок (Au, Ag, Ni, Ti, Al) испытывалось программное обеспечение, построенное в среде LabView (для получения ВАХ).
Рис. 2. Тестовый образец
Проводились измерения участка 1 мкм × 1 мкм, при подаваемом напряжении смещения от +2 В до +4 В с шагом 0,1 В (рисунок 3).
Рис. 3. АСМ-изображения Au площадки, размер скана 1 мкм × 1 мкм, напряжение +2,3 В: а — топография; б — карта распределения тока
Рис. 4. Вольт-амперная характеристика Au контакта
Из программы, управляющей микроскопом, полученные данные экспортировались в формате ASCII. На первом этапе с помощью созданного программного обеспечения совмещались топографии, полученные при разных напряжениях, поскольку наличие температурного дрейфа всегда смещает область сканирования. На втором этапе пользователь выбирает точку на изображении топографии, в которой необходимо построить вольт-амперную характеристику. На третьем этапе из карты тока берутся значения тока в выбранной точке. Таким образом, на основании напряжений, при которых были получены группы изображений, и значений тока в выбранной точке карты тока строится вольт-амперная характеристика (рисунок 4).
Заключение
В работе были проведены экспериментальные исследованиявольт-амперных характеристик полупроводниковых и металлических структур в сканирующем зондовом микроскопе. С целью автоматизации измерений вольт-амперной характеристики было создано программное обеспечение в среде LabView, которое совмещает топографии и карты тока, измеренные при разных напряжениях смещения. Программное обеспечение позволяет построить вольт-амперные характеристики для каждой точки исследованной поверхности.
Разработанная методика позволяет решать новые материаловедческие задачи: увеличение контраста для исследования нанокомпозитов, исследование материалов, где локальное измерение ВАХ приведёт к перегреву поверхности и невоспроизводимости измерений.
Работа выполнена в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности № 16.2112.2014/К.
Литература:
1. Диагностика материалов методами сканирующей зондовой микроскопии. Учеб. пособие. Под ред. В. А. Мошникова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. 172 с.
2. Мошников В. А., Спивак Ю. М. Атомно-силовая микроскопия для нанотехнологии и диагностики: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. 80 с.
3. Козловский Э. Ю., Спивак Ю. М., Мошников В. А., Пономарёва А. А., Селезнёв Б. И., Иванов Н. Н., Желанов А. В. Транзисторные структуры типа pHEMT: исследование особенностей полупроводниковой гетероструктуры методами атомно-силовой микроскопии // Науч.-техн. Ведомости СПбГПУ. 2010. Вып.1. С. 18–29.
4. С. В. Платонов, Н. В. Пермяков, Б. И. Селезнёв, В. А. Мошников, Э. Ю. Козловский, А. М. Осипов. Малошумящие арсенид-галлиевые усилители при воздействии электромагнитных помех повышенной интенсивности. Вестник новгородского государственного государственного университета, серия технические науки, № 67, 2012, стр. 29–32.
5. Грачёва И. Е., Мошников В. А. Анализ газочувствительных фрактальных структур на основе диоксида олова методом атомно-силовой микроскопии // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2008. № 5. С 3–10.
6. Спивак Ю. М., Муратова С. Е. Н., Петенко О. С., Травкин П. Г. Определение параметров пористой структуры в por-Si и por-Al2O3 путем компьютерной обработки данных растровой и атомно-силовой микроскопии // Молодой ученый. 2012. № 5. С. 1–4.
7. Канагеева Ю. М., Мошников В. А. Исследование свойств матриц на основе In/PbTe методами атомно-силовой микроскопии с помощью специальной системы наноконтактов. // Вакуумная техника и технология. 2008. Т. 18. № 2. С. 87–94.
8. Канагеева Ю. М., Мошников В. А., Arnold M., Zogg H., Felder F., Rahim M. Электрофизические свойства фотодиодов на основе эпитаксиальных слоёв для среднего ИК-диапазона // Вакуумная техника и технология. 2008. Е. 18. № 1. С. 3–8.
9. Пермяков Н. В. Расширение функциональных возможностей зондов атомно-силовых микроскопов электрохимическими методами // Молодой учёный. 2012. № 12. С. 10–14.
