میکروسکوپ نیروی الکتروستاتیک (EFM) یکی از اعضاي خانواده میکروسکوپ‌های پروبی روبشی است. در این ميكروسكوپ با اندازه‌گیری برهم‌کنش الکتروستاتیکی موضعي بین نوک سوزن رسانا و نمونه، نقشه ویژگی‌های الکتریکی نمونه به تصویر کشیده می‌شود. برای این منظور، یک ولتاژ بایاس بین نوک سوزن و نمونه اعمال می‌شود. از این ولتاژ برای ایجاد میدان الکتروستاتیک بین نوک سوزن و پایه و نیز برای میزان کردن این میدان استفاده می‌شود. . فاز و فرکانس رزونانس تیرک با شیب شدت میدان الکتریکی تغییر کرده و برای ساخت تصویر EFM مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین EFM می‌تواند برای تشخیص مناطق عایق و رسانا در نمونه استفاده شود. تصاویر EFM حاوی اطلاعات سودمندی درباره خواص الکتریکی نمونه مانند پتانسیل و توزیع بار در سطح نمونه بوده و یک ابزار سودمند برای آزمایش تراشه‌های ریزپردازنده زنده در مقیاس زیر میکرون است.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- اصول روش EFM
3- انواع پروب‌های مورد استفاده در میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک
4- انواع حالت‌های EFM
1-4- حالت بالارونده، ارتفاع ثابت
2-4- بایاس متغیر، انحراف ثابت
5- نیروی کل بین نوک سوزن و نمونه
1- مقدمه
میکروسکوپ نیروی الکتروستاتیک (EFM) یکی از اعضای خانواده میکروسکوپ‌های پروبی روبشی است که می‌تواند توزیع پتانسیل الکتریکی، توزیع بار و اختلاف پتانسیل تماسي(CPD) را به کمک تعیین نیروی الکتروستاتیک بین سوزن و نمونه به تصویر درآورد. نخستین تلاش برای تعیین نیروی الکتروستاتیک و مشاهده بارهای سطحی در لایه‌های پلیمری توسط مارتین و استرن و همکاران آنها صورت پذیرفت که منجر به هدایت فعالیت‌ها به سوی روش اخیر EFM شدهاست[1].
در این روش، با اندازه‌گیری نیروی الکترواستاتیکی بین سطح نمونه و سوزنی که تحت اعمال ولتاژ بایاس قرار گرفته، نقشه ویژگی‌های الکتریکی سطح نمونه به تصویر کشیده می‌شود. به هرحال، علاوه بر نیروی الکترواستاتیکی، همواره نیروهای واندروالسی نیز بین نوک سوزن و سطح نمونه وجود دارند. بزرگی این نیروهای واندروالسی با توجه به فاصله نوک سوزن از نمونه تغییر می‌کند، بر اين اساس برای اندازه‌گیری توپوگرافی سطح استفاده می‌شود. بنابراین، سیگنال‌های دریافتی می‌تواند به‌طور همزمان شامل اطلاعات مربوط به توپوگرافی سطح (سیگنال توپوگرافی) و اطلاعات مربوط به خواص الکتریکی سطح (سیگنال EFM) باشد که به‌ترتیب به‌وسیله نیروهای واندروالسی و الکترواستاتیکی به‌وجود می‌آیند. نکته کلیدی در تصویربرداری موفقیت‌آمیز EFM، جداسازی سیگنال EFM از سیگنال کل است. می‌توان حالت‌های مختلف EFM را بر اساس روش‌های مورد استفاده برای جداسازی سیگنال EFM طبقه بندی نمود [2].
در این روش، با اندازه‌گیری نیروی الکترواستاتیکی بین سطح نمونه و سوزنی که تحت اعمال ولتاژ بایاس قرار گرفته، نقشه ویژگی‌های الکتریکی سطح نمونه به تصویر کشیده می‌شود. به هرحال، علاوه بر نیروی الکترواستاتیکی، همواره نیروهای واندروالسی نیز بین نوک سوزن و سطح نمونه وجود دارند. بزرگی این نیروهای واندروالسی با توجه به فاصله نوک سوزن از نمونه تغییر می‌کند، بر اين اساس برای اندازه‌گیری توپوگرافی سطح استفاده می‌شود. بنابراین، سیگنال‌های دریافتی می‌تواند به‌طور همزمان شامل اطلاعات مربوط به توپوگرافی سطح (سیگنال توپوگرافی) و اطلاعات مربوط به خواص الکتریکی سطح (سیگنال EFM) باشد که به‌ترتیب به‌وسیله نیروهای واندروالسی و الکترواستاتیکی به‌وجود می‌آیند. نکته کلیدی در تصویربرداری موفقیت‌آمیز EFM، جداسازی سیگنال EFM از سیگنال کل است. می‌توان حالت‌های مختلف EFM را بر اساس روش‌های مورد استفاده برای جداسازی سیگنال EFM طبقه بندی نمود [2].
در روش EFM، در حالی که تیرک روی سطح نمونه و بدون تماس با آن قرار دارد، ولتاژی بین نوک سوزن و نمونه اعمال می‌شود. در شکل (1) و (2) چگونگی حرکت تیرک بر فراز بارهای استاتیک به‌هنگام عمل روبش و نیز چگونگی تغییر فرکانس تیرک بر اثر برهم‌کنش نیروهای الکترواستاتیک نشان داده شدهاست.
در شکل (3) نیز نمودار نیروی الکترواستاتیک برحسب فاصله نمونه – نوک سوزن به تصویر کشیده شدهاست.
در واقع روش EFM، حالت تصویربرداری ثانویه‌ای از AFM است که با اندازه‌گیری برهم‌کنش الکتروستاتیکی موضعی بین نوک سوزن رسانا و نمونه، توزیع شیب میدان الکتریکی روی سطح نمونه اندازه‌گیری می‌شود. برای این منظور، یک ولتاژ بایاس بین نوک سوزن و نمونه اعمال می‌شود. از این ولتاژ برای ایجاد میدان الکتروستاتیک بین نوک سوزن و پایه و تنظیم این میدان استفاده می‌شود. فاز و فرکانس رزونانس تیرک با شیب شدت میدان الکتریکی تغییر کرده که برای تهیه تصویر EFM مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین EFM می‌تواند برای تشخیص مناطق عایق و رسانا در نمونه استفاده شود [3].
تصاویر EFM حاوی اطلاعاتی درباره خواص الکتریکی نمونه، مانند پتانسیل و توزیع بار در سطح نمونه است. میزان انحراف تیرک، متناسب با چگالی بار است. بنابراین، EFM می‌تواند برای مطالعه تغییرات فضایی سطح حامل بار مورد استفاده قرار گیرد. به‌عنوان مثال، EFM می‌تواند نقشه میدان‌های الکتریکی مدارهای الکترونیکی را در حالتی که دستگاه خاموش یا روشن است، رسم کند. این روش با نام ردیابی ولتاژ شناخته شده که یک ابزار سودمند برای آزمایش تراشه‌های ریزپردازنده در مقیاس زیر میکرون است [2].
2- اصول روش EFM
برای تشریح اصول روش EFM، ساده‌ترین سامانه، شامل پروب فلزی و نمونه صاف فلزی با سطوح فرمی به‌ترتیب EF1 و EF2 در نظر گرفته می‌شود. با فرض آن‌که سطوح خلاء برای این دو سطح یکسان است، سطوح فرمی مربوط در شکل (4) نشان داده شدهاست. هنگامی که هردو سطح فرمی از نظر الکتریکی کوچک می‌شوند تا به سطح فرمی یکسانی برسند، اختلاف تابع کار (Vs) بین دو ماده، یک میدان الکتریکی بین دو رسانا ایجاد می‌کند. منبع این میدان الکتریکی، بارهای القا شده در سطوح پروب و نمونه است که می‌تواند به عنوان یک لایه مضاعف الکتریکی در نظر گرفته شود. اگر در این فاصله، مولکولی وجود داشته باشد، پلاریزاسیون مولکولی را نیز باید در نظر گرفت [1].
هنگامی که ولتاژ AC (VAC) با فرکانس زاویه‌ای ωm بین نمونه و پروب اعمال می‌شود، پروب به‌وسیله نیروی الکتروستاتیک و با فرکانس ωm شروع به نوسان می‌کند. با استفاده از ظرفیت بین پروب و نمونه (C)، که تابع فاصله نمونه – پروب است، نیروی الکتروستاتیک Fzel به‌صورت زیر تعریف می‌شود:
که در آن VDC ولتاژ بایاس خارجی اعمال شده بر پروب است. نیروی الکتروستاتیک با مجذور ولتاژ متناسب است و نوسان شامل مؤلفه‌های DC، ωm و 2ωm است که به ترتیب عبارتند از: نیروی جاذبه استاتیک بین الکترودهای سازنده خازن، نیروی وارد شده از سوی میدان الکتریکی AC به بارها و نیروی القا شده از سوی ولتاژ AC به خازن‌ها هستند. هنگامی که برای حذف اختلاف پتانسیل تماسي، ولتاژ بایاس مناسبی به پروب اعمال می‌شود؛ مؤلفه ωm از بین خواهد رفت یعنی، Vs+VDC = 0. بنابراین می‌توان با کنترل بازخورد VDC به منظور صفر نگه‌داشتن مؤلفه ωm، مقدار پتانسیل تماسي یا CPD را اندازه‌گیری نمود [1].
در شکل (5)، اجزای مختلف دستگاه EFM و نمودار گردش کار این دستگاه نشان داده شدهاست.
در شکل (5)، اجزای مختلف دستگاه EFM و نمودار گردش کار این دستگاه نشان داده شدهاست.
تقریباً هر ویژگی سطحی که به‌وسیله AFM اندازه‌گیری می‌شود، براساس فرآیندی که در شکل (6) نشان داده شدهاست، تعیین می‌شود. اندازه‌گیری‌های EFM نیز روند مشابهی را دنبال می‌کند.
در جایی که از میکروسکوپ نیروی اتمی غیرتماسی برای تصویربرداری در مقیاس اتمی استفاده می‌شود، باید در مورد اصل نیروی تعیین شده بیشتر بحث شود؛ زیرا جداکردن کامل نیروی الکتروستاتیک از نیروهای واندروالس یا شیمیایی غیرممکن است. از طرفی، تصویر EFM در مقیاس اتمی به میزان تیز بودن نوک سوزن بسیار حساس است؛ از این‌رو چگونگی تهیه سوزن با ویژگی‌های مطلوب موضوع مهمی است. از آنجایی‌که نیروی الکتروستاتیک دوربردترین نیروی موجود در SPM است، شکل سوزن خصوصاً در خانواده EFM از اهمیت بالایی برخوردار است، بنابراین نه تنها نوک سوزن بلکه شکل کلی تیرک در نتیجه تاثیرگذار است.
در سال 2002 دستگاه EFM با تیرکی مجهز به حسگر پیزوالکتریکی انکسار‌دهنده ساخته شد. از آنجایی که اثر فتوولتائیک تعیین دقیق پتانسیل سطح را در سطوح نیمه‌رسانا برهم می‌زند، این روش می‌تواند در EFM مطلوب باشد [1].
در سال 2002 دستگاه EFM با تیرکی مجهز به حسگر پیزوالکتریکی انکسار‌دهنده ساخته شد. از آنجایی که اثر فتوولتائیک تعیین دقیق پتانسیل سطح را در سطوح نیمه‌رسانا برهم می‌زند، این روش می‌تواند در EFM مطلوب باشد [1].
3- انواع پروب‌های مورد استفاده در میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک
پروب‌های پیشنهادی برای میکروسکوپی نیروی الکترواستاتیک، دارای پوشش کامل فلزی (PtIr) در هر دو سوی تیرک است که باعث افزایش هدایت الکتریکی سوزن می‌شود. ثابت نیروی این نوع پروب برای میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک به‌گونه‌ای خاص تنظیم می‌شود تا پروب، دارای حساسیت نیروی بسیار بالایی شده که بتواند به‌صورت همزمان در حالت نوسانی و بالارونده عمل کند. معمولاً پوشش PtIr با ضخامت تقریبی 25 نانومتر شامل دولایه کروم و پلاتین ایریدیوم است که روی هر دو وجه تیرک قرار دارد. پوشش در آن سویی که سوزن قرار دارد، باعث ارتقا هدایت سوزن شده و اتصالات الکتریکی را فراهم می‌نماید و در آن سویی که حسگر قرار دارد، باعث افزایش تقریباً 2 برابری قابلیت بازتاب پرتوهای لیزر شده و از مزاحمت نوری با تیرک ممانعت می‌کند. فرآیند پوشش دادن به‌گونه‌ای بهینه می‌شود که تنش داخلی در ساختار پروب را خنثی کرده و باعث بوجود آمدن مقاومت در برابر ساییدگی شود. میزان خمیدگی ناشی از تنش کمتر از 3/5 درصد طول تیرک است. از ویژگی‌های خاص این نوع پروب می‌توان به رسانایی فلزی سوزن و بالا بودن فاکتور مکانیکی Q برای حساسیت‌های بالا اشاره کرد [4].
4- انواع حالت‌های EFM
1-4- حالت بالارونده، ارتفاع ثابت
از آنجایی که برهم‌کنش نیروهای الکترواستاتیکی بین سوزن و سطح در مقایسه با نیروهای واندروالسی در فاصله‌های دورتر آشکار می‌شوند، بنابراین می‌توان اطلاعات مربوط به نیروی الکتریکی را به سادگی و با دور کردن نوک سوزن و افزایش فاصله نوک سوزن – نمونه از اطلاعات مربوط به توپوگرافی سطح جدا نمود.
در این وضعیت، ابتدا نوک سوزن، سطح نمونه را در حالت ضربه‌ای روبش نموده و توپوگرافی سطح به‌دست می‌آید و سپس روبش بعدی بدون نوسان مکانیکی انجام می‌شود به‌طوری که سوزن از سطح دور شده و با حفظ فاصله ثابت میان سوزن و سطح، نقشه سطح ترسیم می‌شود. در طول دومین روبش، نوک سوزن به‌صورت مکانیکی و با بازوی محرک پیزو رانده نمی‌شود و به سامانه بازخورد هم نیازی نیست. بنابراین، روبش سریع‌تر فراهم می‌شود. در طی روبش دوم، ولتاژ بایاس پروب به‌وسیله ولتاژ AC با فرکانس رزونانس مدوله می‌شود تا نیروی الکتروستاتیکی به‌صورت دقیق تعیین شود. با این روش، تداخل بین سیگنال‌های الکتروستاتیکی و توپوگرافی خنثی می‌شود.
برای ایجاد میدان الکتریکی، ولتاژ ثابتی روی نوک سوزن برقرار می‌شود. هنگامی که نوک سوزن از شیب میدان الکتریکی در ناحیه جذبی عبور می‌کند، به سوی نمونه کشیده می‌شود و هنگامی که نوک سوزن از شیب میدان الکتریکی در ناحیه دافعه گذر می‌نماید، از سوی نمونه رانده می‌شود. انحراف تیرک (یا تغییر فرکانس آن) با دانسیته بار متناسب است که می‌تواند به‌وسیله سامانه استاندارد نور – اهرم اندازه‌گیری شود. همچنین برهم‌کنش الکترواستاتیک به فاصله بستگی دارد. برای ترسیم توزیع بار سطحی (پتانسیل)، بسیار ضروری است که نوک سوزن روبشگر در فاصله ثابتی از سطح نگه داشته شود تا بدین ترتیب، اثر نوسانات سطح (توپوگرافی) برطرف شود [3].
در این وضعیت، ابتدا نوک سوزن، سطح نمونه را در حالت ضربه‌ای روبش نموده و توپوگرافی سطح به‌دست می‌آید و سپس روبش بعدی بدون نوسان مکانیکی انجام می‌شود به‌طوری که سوزن از سطح دور شده و با حفظ فاصله ثابت میان سوزن و سطح، نقشه سطح ترسیم می‌شود. در طول دومین روبش، نوک سوزن به‌صورت مکانیکی و با بازوی محرک پیزو رانده نمی‌شود و به سامانه بازخورد هم نیازی نیست. بنابراین، روبش سریع‌تر فراهم می‌شود. در طی روبش دوم، ولتاژ بایاس پروب به‌وسیله ولتاژ AC با فرکانس رزونانس مدوله می‌شود تا نیروی الکتروستاتیکی به‌صورت دقیق تعیین شود. با این روش، تداخل بین سیگنال‌های الکتروستاتیکی و توپوگرافی خنثی می‌شود.
برای ایجاد میدان الکتریکی، ولتاژ ثابتی روی نوک سوزن برقرار می‌شود. هنگامی که نوک سوزن از شیب میدان الکتریکی در ناحیه جذبی عبور می‌کند، به سوی نمونه کشیده می‌شود و هنگامی که نوک سوزن از شیب میدان الکتریکی در ناحیه دافعه گذر می‌نماید، از سوی نمونه رانده می‌شود. انحراف تیرک (یا تغییر فرکانس آن) با دانسیته بار متناسب است که می‌تواند به‌وسیله سامانه استاندارد نور – اهرم اندازه‌گیری شود. همچنین برهم‌کنش الکترواستاتیک به فاصله بستگی دارد. برای ترسیم توزیع بار سطحی (پتانسیل)، بسیار ضروری است که نوک سوزن روبشگر در فاصله ثابتی از سطح نگه داشته شود تا بدین ترتیب، اثر نوسانات سطح (توپوگرافی) برطرف شود [3].
2-4- بایاس متغیر، انحراف ثابت
در این روش، اندازه‌گیری پتانسیل سطح (بار) روی نمونه به‌وسیله تنظیم ولتاژ روی نوک سوزن انجام می‌شود. برای حفظ بازخورد، باید ولتاژ اعمال شده روی تیرک به‌گونه‌ای تنظیم شود که میزان انحراف یا بزرگی دامنه در حد ثابتی حفظ گردد. تصاویر می‌توانند در وضعیت DC (حالت تماسی) با ثبت انحراف تیرک و یا در وضعیت AC (حالت نوسانی) هنگامی که تیرک روی سطح نوسان کرده و فاز یا دامنه تیرک ثبت می‌شود، جمع‌آوری شوند [3].
5- نیروی کل بین نوک سوزن و نمونه
نیروی کل = نیروی خازنی + برهم‌کنش کولنی + نیروی واندروالسی + دافعه کره سخت
هنگامی که ولتاژ بایاس اعمال شده φ- = Vb، همه برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک بی‌اثر می‌شوند.
- C ظرفیت خازنی نوک سوزن – نمونه است.
- Vb ولتاژ بایاس اعمال شده روی نمونه است.
- φ اختلاف پتانسیل سطحی بین نوک سوزن و پایه است.
- Ez میدان استاتیکی است که به خاطر بار یا چندقطبی‌های موجود در نمونه، به استثنای میدان بارهای تجمع یافته در صفحات خازن، یعنی نوک سوزن و پایه تحت ولتاژ بایاس، ایجاد شدهاست.
- FVDW نیروی واندروالسی است.
- Fhs دافعه کره سخت، نيرويي است كه هنگام تماس بسیار نزدیک نوک سوزن و نمونه ايجاد مي‌شود [3].
نتیجه‌گیری
از سال2000، مقالاتی که در آنها از روش EFM به عنوان روش اصلی اندازه‌گیری استفاده شده بود، انتشار یافتند. در این مطالعات برای بررسی پدیده‌های فیزیکی، اندازه‌گیری تابع کار جزئی مدنظر قرار گرفت. از سوی دیگر، بررسی پلاریزاسیون مولکول‌های جذب شده در زیرلایه‌ها و نیز توزیع پتانسیل سطحی در تجهیزات الکترونیکی نیز مورد توجه قرار گرفتند. نمونه‌های مورد اندازه‌گیری، علاوه بر نمونه‌های استاندارد مثل سطوح نیمه‌رسانای تمییز به تجهیزات نیمه‌رسانا، مواد دی الکتریک/ فروالکتریک، لایه‌های نازک و لایه‌هایی از مولکول‌های آلی گسترش یافتند. به تازگی نیز چگونگی تهیه تصاویر با توان تفكيك بالا در محیط‌های مایع و گاز با بازدهی مورد توجه واقع شدهاست. فرآیندهای مورد انتظار در مدت زمان کوتاهی، اصلاح شده و به عنوان ابزاری برای تجزیه و تحلیل تجهیزات الکترونیکی کوچک و پلاریزاسیون‌های جزئی مورد استفاده قرار گرفتند. با پیشرفت روش غیرتماسی AFM، اندازه‌گیری‌های EFM در مقیاس اتمی امکان‌پذیر شده و حساسیت تعیین نیروی الکتروستاتیکی افزایش یافت که نتیجه آن، گسترش کاربرد آن در شرایط محیطی مختلف و انواع گسترده‌تر مواد بود و در آینده نزدیک حتی اندازه‌گیری در محیط‌های مایع نیز ممکن گردید. برای دستیابی به توان تفکیک بالاتر نیازمند جداسازی نیروی الکتریکی از دیگر نیرو‌ها است. هم‌اکنون در خلاء، تصاویر EFM واضحی در مقیاس اتمی از ساختارهای مختلف به‌دست می‌آید. وضیعت ایده‌آل برای این مطالعات، طیف‌سنجی سه‌بعدی نیرو است که در آن گرادیان نیرو با روبش ولتاژ نمونه – پروب، ساختار سه‌بعدی را در هر نقطه محاسبه می‌نماید [1].
منابـــع و مراجــــع
۱ – M. NakamuraH.Yamada, “Road map of Scanning probe microscopy”, 2006, Springer.
۲ – www.parkafm.com “Park Systems, mode note”.
۳ – www.eng.utah.edu Lecture 15: “Two special modes for AFM: Electrostatic Force Microscopy (EFM)Magnetic Force Microscopy (MFM)”.
۴ – www.amplegoal.com.
۵ – J. Liu, “Phys. Chem.” C 2009, 113, 9368-9374.
۶ – L. Chen, L. Brus, et al. J. “Phys. Chem”. B 2005, 109, 1834-1838.
۷ – O. Cherniavskaya, L. Brus, el al. J. “Phys. Chem.” B 2004, 108, 4946-4961.
۸ – Y. Hirata, F. Mizutani, H. Yokoyama, “Surf. Int. Anal.” 27, 317 (1999).
۹ – G. E. Bridges et. al., J. Vac. Sci. “Technol.” A 16, 830 (1998).
۱۰ – V. Wittpahl et. al., “Microelectron”. Reliab. 39, 951 (1999).
۱۱ – S. Kitamura, K. Suzuki, M. Iwatsuki, “Appl. Surf. Sci.” 140, 265 (1999).
۱۲ – N. Satoh et. al. “Appl. Surf. Sci.” 188, 425 (2002).
۱۳ – T. Ohta, Y. Sugawara, S. Morita, Jap. J. “Appl. Phys.” 35, L1222 (1996).
۱۴ – D. Gekhtman et. al., “Mater. React. Soc. Proc.” 545, 345 (1999).
۱۵ – M. Nakamura et. al., “Synth. Metals” 137, 887 (2003).
۱۶ – M. Nakamura et. al., “Appl. Phys. Lett.” 86, 122112 (2005).
۱۷ – M. Nakamura et. al., “Proceedings of International Symposium on Super Functionality Organic Devices. IPAP Conference Series” 6, 130 (2005).
