تخصصی مقاالت روش الکترواستاتیک صدیقه دانشكده ايران صنعت شبکه مقدمه.

Transcript

1 21 تخصصی فصلنامه ایران آزمایشگاهی دانش چکیده مقدمه کلیدی واژههای 1392 پاییز شماره 3 میکروسکوپی روش الکترواستاتیک نیروی آن کاربردهای و خانواده اعضاي از یکی )EFM( الکترواستاتیک نیروی میکروسکوپ برهمکنش اندازهگیری با ميكروسكوپ این در است. روبشی پروبی میکروسکوپهای الکتریکی ویژگیهای نقشه نمونه و رسانا سوزن نوک بین موضعي الکترواستاتیکی و سوزن نوک بین بایاس ولتاژ یک منظور این برای میشود. کشیده تصویر به نمونه و سوزن نوک بین الکترواستاتیک میدان ایجاد برای ولتاژ این از میشود. اعمال نمونه تیرک رزونانس فرکانس و فاز میشود. استفاده میدان این کردن میزان برای نیز و پایه استفاده مورد EFM تصویر ساخت برای و کرده تغییر الکتریکی میدان شدت شیب با نمونه در رسانا و عایق مناطق تشخیص برای میتواند EFM همچنین میگیرد. قرار نمونه الکتریکی خواص درباره سودمندی اطالعات حاوی EFM تصاویر شود. استفاده آزمایش برای سودمند ابزار یک و بوده نمونه سطح در بار توزیع و پتانسیل مانند است. میکرون زیر مقیاس در زنده ریزپردازنده تراشههای روبشي پروبي ميكروسكوپ الکترواستاتیک نیروی میکروسکوپ.EFM الكترواستاتيك نيروي نویسندگان: صدیقه 2 و 5 كشاورزي مرضيه 1 ثبات زهرا 4 و 5 رويس عبودزاده ندا 3 و 5 حسنی صادق SadeghS@ripi.ir صنعت پژوهشگاه فيزيك شيمي ارشد كارشناس 1. نانوفناوري و كاتاليست پژوهشكده نفت پژوهشکده كشاورزي بيوتكنولوژي ارشد كارشناس 2. نانوتكنولوژي آزمايشگاه ايران كشاورزي بیوتکنولوژي صنعت پژوهشگاه تجزيه شيمي ارشد كارشناس 3. نانوفناوري و كاتاليست پژوهشكده نفت و علم دانشگاه مواد مهندسي ارشد كارشناس 4. مواد دانشكده ايران صنعت شبکه SPM دستگاههای تخصصی کارگروه عضو 5. نانو فناوری آزمایشگاهی میتواند که است روبشی پروبی میکروسکوپهای خانواده اعضای از یکی )EFM( 1 الکترواستاتیک نیروی میکروسکوپ و سوزن بین الکترواستاتیک نیروی تعیین کمک به را )CPD( 2 تماسي پتانسیل اختالف و بار توزیع الکتریکی پتانسیل توزیع توسط پلیمری الیههای در سطحی بارهای مشاهده و الکترواستاتیک نیروی تعیین برای تالش نخستین درآورد. تصویر به نمونه شدهاست] 1 [. EFM اخیر روش سوی به فعالیتها هدایت به منجر که پذیرفت صورت آنها همکاران و 4 استرن و 3 مارتین گرفته قرار بایاس ولتاژ اعمال تحت که سوزنی و نمونه سطح بین الکترواستاتیکی نیروی اندازهگیری با روش این در نیروهای همواره الکترواستاتیکی نیروی عالوهبر هرحال به میشود. کشیده تصویر به نمونه سطح الکتریکی ویژگیهای نقشه سوزن نوک فاصله به توجه با واندروالسی نیروهای این بزرگی دارند. وجود نمونه سطح و سوزن نوک بین نیز واندروالسی دریافتی سیگنالهای بنابراین میشود. استفاده سطح توپوگرافی اندازهگیری برای اساس اين بر میکند تغییر نمونه از الکتریکی خواص به مربوط اطالعات و توپوگرافی( )سیگنال سطح توپوگرافی به مربوط اطالعات شامل همزمان بهطور میتواند رد کلیدی نکته میآیند. بهوجود الکترواستاتیکی و واندروالسی نیروهای بهوسیله بهترتیب که باشد )EFM )سیگنال سطح رب را EFM مختلف حالتهای میتوان است. کل سیگنال از EFM سیگنال جداسازی EFM موفقیتآمیز تصویربرداری ]2[. نمود بندی طبقه EFM سیگنال جداسازی برای استفاده مورد روشهای اساس

2 شماره 3 پاییز 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. دانش آزمایشگاهی ایران فصلنامه تخصصی شکل 1: شمای روبش سطح در روش میکروسکوپی نیروی الکترواستاتیک )EFM(.]3[ شکل 2: فرکانس تیرک بهعلت برهمکنش الکترواستاتیکی تغییر مییابد ]3[. در شکل )3( نیز نمودار نیروی الکترواستاتیک برحسب فاصله نمونه نوک سوزن به تصویر کشیده شدهاست. شکل 3: نمودار نیروی الکترواستاتیک برحسب فاصله نوک سوزن نمونه. منحنی که با خط ضخیم و توپر رسم شده به نیروی الکترواستاتیک کل مربوط است در حالیکه سه منحنی دیگر هریک به صورت جداگانه به تیرک )خط چین( مخروط نوک سوزن )خط چین با فاصله کوتاه( و راس سوزن )خط نازک( مربوط میشوند. این منحنی ها برای شرایط U=volt 1 پروب با تیرکی به طول 100µm و پهنای 25µm و سوزنی با طول 3µm و شعاع 20nm در راس سوزن محاسبه شدهاند. زاویه نوک سوزن 4/π است و فرض میشود که زاویه بین تیرک و نمونه 8/π است ]3[.

3 23 تخصصی فصلنامه ایران آزمایشگاهی دانش 1392 پاییز شماره 3 AFM از ثانویهای تصویربرداری حالت EFM روش واقع در بین موضعی الکترواستاتیکی برهمکنش اندازهگیری با که است روی الکتریکی میدان شیب توزیع نمونه و رسانا سوزن نوک ولتاژ یک منظور این برای میشود. اندازهگیری نمونه سطح برای ولتاژ این از میشود. اعمال نمونه و سوزن نوک بین بایاس تنظیم و پایه و سوزن نوک بین الکترواستاتیک میدان ایجاد با تیرک رزونانس فرکانس و فاز میشود. استفاده میدان این تصویر تهیه برای که کرده تغییر الکتریکی میدان شدت شیب میتواند EFM همچنین میگیرد. قرار استفاده مورد EFM ]3[. شود استفاده نمونه در رسانا و عایق مناطق تشخیص برای نمونه الکتریکی خواص درباره اطالعاتی حاوی EFM تصاویر انحراف میزان است. نمونه سطح در بار توزیع و پتانسیل مانند میتواند EFM بنابراین است. بار چگالی با متناسب تیرک قرار استفاده مورد بار حامل سطح فضایی تغییرات مطالعه برای الکتریکی میدانهای نقشه میتواند EFM مثال بهعنوان گیرد. روشن یا خاموش دستگاه که حالتی در را الکترونیکی مدارهای شده شناخته 5 ولتاژ ردیابی نام با روش این کند. رسم است در ریزپردازنده تراشههای آزمایش برای سودمند ابزار یک که ]2[. است میکرون زیر مقیاس EFM روش اصول پروب شامل سامانه سادهترین EFM روش اصول تشریح برای EF2 و EF1 بهترتیب فرمی سطوح با فلزی صاف نمونه و فلزی دو این برای خالء سطوح آنکه فرض با میشود. گرفته نظر در نشان )4( شکل در مربوط فرمی سطوح است یکسان سطح الکتریکی نظر از فرمی سطح هردو که هنگامی شدهاست. داده تابع اختالف برسند یکسانی فرمی سطح به تا میشوند کوچک ایجاد رسانا دو بین الکتریکی میدان یک ماده دو بین )Vs( کار سطوح در شده القا بارهای الکتریکی میدان این منبع میکند. مضاعف الیه یک عنوان به میتواند که است نمونه و پروب وجود مولکولی فاصله این در اگر شود. گرفته نظر در الکتریکی ]1[. گرفت نظر در باید نیز را مولکولی پالریزاسیون باشد داشته )الف( که هنگامی پروب نمونه سامانه برای انرژی دیاگرام 4: شکل سطوح )ج( و هستند زمین به متصل دو هر )ب( هستند ایزوله ]1[. شدهاست یکسان خارجی بایاس بهوسیله خالء ω m زاویهای فرکانس با V( AC ACز) ولتاژ که هنگامی نیروی بهوسیله پروب میشود اعمال پروب و نمونه بین با میکند. نوسان به شروع ω m فرکانس با و الکترواستاتیک نمونه فاصله تابع که )C( نمونه و پروب بین ظرفیت از استفاده تعریف زیر بهصورت F z el الکترواستاتیک نیروی است پروب میشود: پروب بر شده اعمال خارجی بایاس ولتاژ V DC آن در که و است متناسب ولتاژ مجذور با الکترواستاتیک نیروی است. ترتیب به که است 2ω m و DC ω m مؤلفههای شامل نوسان سازنده الکترودهای بین استاتیک جاذبه نیروی از: عبارتند و بارها به AC الکتریکی میدان سوی از شده وارد نیروی خازن هنگامی هستند. خازنها به AC ولتاژ سوی از شده القا نیروی به مناسبی بایاس ولتاژ تماسي پتانسیل اختالف حذف برای که یعنی رفت خواهد بین از ωm مؤلفه میشود اعمال پروب به V DC بازخورد کنترل با میتوان بنابراین V. s +V DC =0 یا تماسي پتانسیل مقدار ωm مؤلفه نگهداشتن صفر منظور ]1[. نمود اندازهگیری را CPD نمودار و EFM دستگاه مختلف اجزای )5( شکل در است. شده داده نشان دستگاه این کار گردش اندازهگیری AFM بهوسیله که سطحی ویژگی هر تقریبا شدهاست داده نشان )7( شکل در که فرآیندی براساس میشود ار مشابهی روند نیز EFM اندازهگیریهای میشود. تعیین میکند. دنبال غیرتماسی اتمی نیروی میکروسکوپ از که جایی در باید میشود استفاده اتمی مقیاس در تصویربرداری برای زیرا شود بحث بیشتر شده تعیین نیروی اصل مورد در واندروالس نیروهای از الکترواستاتیک نیروی کامل جداکردن در EFM تصویر طرفی از است. غیرممکن شیمیایی یا حساس بسیار سوزن نوک بودن تیز میزان به اتمی مقیاس مطلوب ویژگیهای با سوزن تهیه چگونگی اینرو از است الکترواستاتیک نیروی آنجاییکه از است. مهمی موضوع سوزن شکل است SPM در موجود نیروی دوربردترین است برخوردار باالیی اهمیت از EFM خانواده در خصوصا نتیجه در تیرک کلی شکل بلکه سوزن نوک تنها نه بنابراین است. تاثیرگذار به مجهز تیرکی با EFM دستگاه 2002 سال در که آنجایی از شد. ساخته انکساردهنده پیزوالکتریکی حسگر سطوح در را سطح پتانسیل دقیق تعیین فتوولتائیک اثر مطلوب EFM در میتواند روش این میزند برهم نیمهرسانا ]1[. باشد

4 شماره 3 پاییز 1392 دانش آزمایشگاهی ایران فصلنامه تخصصی 24 شکل 5: الف( دستگاه آزمایشگاهی FM ب( نمودار گردش کار نشان میدهد که اطالعات توپوگرافی در حالت نوسانی در نخستین مسیر روبش بهدست میآید. در دومین مسیر روبش تیرک بر فراز فاصلهای از سطح قرار گرفته و در ارتفاع ثابتی از سطح و در حالی که هم به صورت مکانیکی و هم به صورت الکتریکی لرزانده میشود عمل روبش را انجام میدهد. جابهجایی فرکانس سوزن بهوسیله حلقه فاز قفل تعیین شده و به دو تقویتکننده قفلشونده 6 که در آنها سیگنال با فرکانسهای ω و 2ω از یکدیگر جدا میشوند فرستاده شده و سپس به کنترلکننده نانواسکوپ برای ساخت تصویر هدایت میشود ]3[. الف انواع پروبهای مورد استفاده در میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک ب 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 میکروسکوپی نیروی الکترواستاتیک بهگونهای خاص تنظیم میشود تا پروب دارای حساسیت نیروی بسیار باالیی شده که بتواند بهصورت همزمان در حالت نوسانی و باالرونده عمل کند. معموال پوشش PtIr با ضخامت تقریبی 25 نانومتر شامل دوالیه کروم و پالتین ایریدیوم است که روی هر دو وجه تیرک قرار دارد. پوشش تغییر ویژگی های سطح در طول خط روبش تغییر نیروهای برهم کنش بین نوک سوزن و سطح نمونه انحراف تیرک )حالت تماسی( یا تغییر دامنه نوسان و تغییر فاز تیرک )حالت غیر تماسی( تغییر سینگال لیزر به PSPD سیگنال الکتریکی به SPM سیگنال پردازشگر به تولید تصویر شکل 6 : شمایی از مراحل اندازهگیری ویژگیهای سطح بهوسیله حالتهای مختلف ]2[ EFM در آن سویی که سوزن قرار دارد باعث ارتقا هدایت سوزن شده و اتصاالت الکتریکی را فراهم مینماید و در آن سویی که حسگر قرار دارد باعث افزایش تقریبا 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 باال بودن فاکتور مکانیکی Q برای حساسیتهای باال اشاره کرد ]4[.

5 25 تخصصی فصلنامه ایران آزمایشگاهی دانش EFM حالتهای انواع ثابت ارتفاع 7 باالرونده حالت 1392 پاییز شماره 3 سوزن بین الکترواستاتیکی نیروهای برهمکنش که آنجایی از دورتر فاصلههای در واندروالسی نیروهای با مقایسه در سطح و نیروی به مربوط اطالعات میتوان بنابراین میشوند آشکار افزایش و سوزن نوک کردن دور با و سادگی به را الکتریکی توپوگرافی به مربوط اطالعات از نمونه سوزن نوک فاصله نمود. جدا سطح حالت در را نمونه سطح سوزن نوک ابتدا وضعیت این در و میآید بهدست سطح توپوگرافی و نموده روبش 8 ضربهای بهطوری میشود انجام مکانیکی نوسان بدون بعدی روبش سپس سوزن میان ثابت فاصله حفظ با و شده دور سطح از سوزن که روبش دومین طول در میشود. ترسیم سطح نقشه سطح و رانده 9 پیزو محرک بازوی با و مکانیکی بهصورت سوزن نوک روبش بنابراین نیست. نیازی هم 10 بازخورد سامانه به و نمیشود پروب بایاس ولتاژ دوم روبش طی در میشود. فراهم سریعتر نیروی تا میشود مدوله رزونانس فرکانس با AC ولتاژ بهوسیله تداخل روش این با شود. تعیین دقیق بهصورت الکترواستاتیکی میشود. خنثی توپوگرافی و الکترواستاتیکی سیگنالهای بین سوزن نوک روی ثابتی ولتاژ الکتریکی میدان ایجاد برای الکتریکی میدان شیب از سوزن نوک که هنگامی میشود. برقرار میشود کشیده نمونه سوی به میکند عبور جذبی ناحیه در ناحیه در الکتریکی میدان شیب از سوزن نوک که هنگامی و انحراف میشود. رانده نمونه سوی از مینماید گذر دافعه که است متناسب بار دانسیته با آن( فرکانس تغییر )یا تیرک شود. اندازهگیری 11 اهرم نور استاندارد سامانه بهوسیله میتواند برای دارد. بستگی فاصله به الکترواستاتیک برهمکنش همچنین که است ضروری بسیار )پتانسیل( سطحی بار توزیع ترسیم تا شود داشته نگه سطح از ثابتی فاصله در روبشگر سوزن نوک ]3[. شود برطرف )توپوگرافی( سطح نوسانات اثر ترتیب بدین ]3[ باالرونده حالت در روبش 7: شکل ثابت انحراف متغیر بایاس نمونه روی )بار( سطح پتانسیل اندازهگیری روش این در حفظ برای میشود. انجام سوزن نوک روی ولتاژ تنظیم بهوسیله شود تنظیم بهگونهای تیرک روی شده اعمال ولتاژ باید بازخورد گردد. حفظ ثابتی حد در دامنه بزرگی یا انحراف میزان که ثبت با ) 12 تماسی )حالت DC وضعیت در میتوانند تصاویر که هنگامی نوسانی( )حالت AC وضعیت در یا و تیرک انحراف میشود ثبت تیرک دامنه یا فاز و کرده نوسان سطح روی تیرک ]3[. شوند جمعآوری نمونه و سوزن نوک بین کل نیروی نیروی + کولنی برهمکنش + خازنی نیروی = کل نیروی 13 سخت کره دافعه + واندروالسی همه V b =ر φ- شده اعمال بایاس ولتاژ که هنگامی میشوند. بیاثر الکترواستاتیک برهمکنشهای است. نمونه سوزن نوک خازنی ظرفیت C است. نمونه روی شده اعمال بایاس ولتاژ V b است. پایه و سوزن نوک بین سطحی پتانسیل اختالف φ یا بار خاطر به که است استاتیکی میدان E z بارهای میدان استثنای به نمونه در موجود چندقطبیهای تحت پایه و سوزن نوک یعنی خازن صفحات در یافته تجمع شدهاست. ایجاد بایاس ولتاژ است. واندروالسی نیروی F VDW تماس هنگام كه است نيرويي سخت کره دافعه F hs ]3[. ميشود ايجاد نمونه و سوزن نوک نزدیک بسیار EFM روشهای انواع که روشی EFMبراساس روشهای دیگر تقسیمبندی در میشوند طبقهبندی میآیند بهدست سطح الکتریکی اطالعات هستند: زیر حالتهای شامل که استاندارد الکترواستاتیک نیروی میکروسکوپ بر پیشرفته EFMهای سری از استاندارد EFM روش حاکم روند که این نخست شدهاست. نهاده بنا واقعیت دو مبنای است. متفاوت هم از الکترواستاتیک و واندروالسی نیروهای بر r/1 2 با الکترواستاتیک نیروهای و r/1 6 با واندروالسی نیروهای ]2[. هستند متناسب میشود نزدیک نمونه به سوزن نوک که هنگامی بنابراین سوزن نوک که هنگامی و میشوند غالب واندروالسی نیروهای یافته کاهش سرعت به واندروالسی نیروی میشود دور نمونه از مسیر حقیقت در میشوند. حاکم الکترواستاتیکی نیروهای و از ثابتی فاصله در که است سوزن نوک سیر خط توپوگرافی

6 پاییز شماره 3 )1 )2 ]2[. است ثابت واندروالسی نیروی خط معادل و دارد قرار نمونه تصویر تهیه برای روبش نخستین نیرو براساس روشهای در که محدودهای در سوزن نوک روبش بهوسیله و سطح توپوگرافی فاصله سپس میشود. انجام است غالب واندروالسی نیروهای در سوزن نوک تا میشود داده تغییر نمونه سوزن نوک و است حاکم الکترواستاتیک نیروی که بگیرد قرار منطقهای ]2[. 8-a( )شکل میشود روبش سطح EFM تصویر تهیه برای با روش )b( و نیرو محدوده در روش )a( شماتیک طرح 8: شکل مسیر] 2 [. دو سطح نزدیکی در روبش نخستین مسیره دو روش در اتمی میکروسکوپی روش مشابه و توپوگرافی تهیه منظور به است حاکم واندروالس نیروهای که ناحیهای در غیرتماسی در سوزن نوک که این برای روبش دومین در میشود. انجام هستند غالب الکترواستاتیکی نیروهای که گیرد قرار ناحیهای افزایش نمونه و سوزن نوک بین فاصله و کرده بلند را سوزن نوک و گرفته قرار بایاس ولتاژ اعمال تحت سوزن نوک سپس مییابد. که توپوگرافی خط با موازی بازخورد سامانه بدون روبش عمل داده نشان نیز )8-b( شکل در و آمده بهدست نخست روبش از و نمونه بین ثابت فاصله ترتیب بدین و میشود انجام شدهاست ]2[. میشود حفظ سوزن نوک نیروی با خط یک در توپوگرافی مسیر که آنجایی از بر شده اعمال واندروالس نیروهای پس است ثابت واندروالس بنابراین بود. خواهد ثابت روبش دومین طول در سوزن نوک خواهد الکترواستاتیک نیروی تغییر سیگنال تغییر منبع تنها از میتواند توپوگرافی از مستقل EFM سیگنال پس بود. تصویر نمونه بهعنوان )9( شکل در آید. بهدست روبش دومین روش از استفاده با که الکترود مجموعه یک فاز و توپوگرافی ]2[. شدهاست داده نشان آمده بهدست EFM پیشرفته الکترواستاتیک نیروی میکروسکوپ )10( شکل در آن شماتیک نمودار که پیشرفته EFM در هدف دو با 14 شونده قفل تقویتکننده یک شدهاست داده نشان که این نخست هدف میشود. متصل XE سری AFM به اعمال XE کنترلکننده بهوسیله که DC بایاس ولتاژ عالوهبر وارد سوزن نوک بر نیز ω فرکانس با AC بایاس ولتاژ میشود سیگنال از ω فرکانس اجزای که است این دیگر هدف شود. EFM بوسیله فرد منحصربه توانمندی این شود. جدا خروجی ایران آزمایشگاهی دانش تخصصی فصلنامه شانه شکل به میکرویی الکترود دو از استاندارد نمونه )a( 9: شکل قرار دیگری دندانههای میان در یکی دندانههای که شده ساخته دندانههای میدهد نشان که توپوگرافی تصویر )b( است. گرفته فاز تصویر )c( که درحالی هستند یکسانی ارتفاع دارای مجاور پتانسیل در یکسان ارتفاع با دندانههای میدهد نشان EFM ]2[. هستند متفاوت سطحی EFM با مقایسه در که شده ارائه XE سری از پیشرفته دارد] 2 [. برتری کارایی نظر از استاندارد میتوان را نمونه و سوزن نوک بین ولتاژ پیشرفته EFM در نمود: بیان زیر معادلههای با است: عبارت سه شامل خود Fر)t( عبارت V s است DC جبرانکننده پتانسیل V dc آن در که و بزرگی ترتیب به ω و V ac نمونه روی سطحی پتانسیل ]2[. هستند شده اعمال AC ولتاژ سیگنال فرکانس

7 27 تخصصی فصلنامه ایران آزمایشگاهی دانش 1392 پاییز شماره 3 زد تخمین را نمونه و سوزن نوک هندسی شکل بتوان اگر استنتاج برای میتواند )2( معادله بود. خواهد مناسب )1( معادله نمونه و سوزن نوک بین الکترواستاتیکی نیروی برای عبارتی شود. استفاده سوزن نوک روی که است الکترواستاتیکی نیروی F اینجا در الکتریکی پتانسیل V الکتریکی میدان E بار q میشود اعمال هر که هنگامی است. نمونه و سوزن نوک فاصله d و ظرفیت C میشود اعمال سوزن و نمونه بین DC و AC بایاس ولتاژ دو میآید. بوجود نمونه و سوزن بین نیروی بیان در عبارت سه خواص درباره اطالعاتی کسب برای میتوانند باهم سیگنال سه معادله در مثال برای گیرند. قرار استفاده مورد نمونه الکتریکی نوک نمونه فاصله به الکتریکی ظرفیت نسبت بهصورت ظرفیت سوزن نوک نمونه فاصله که هنگامی میشود. ظاهر )d/c( سوزن با d/c نسبت شود داشته نگه ثابت z بازخورد حلقه بهوسیله )b( قسمت )2( معادله در ω سیگنال میشود. متناسب ظرفیت معلوم فرض با دارد. بر در را Vs سطحی پتانیسل و d/c مشارکت ظرفیت سهم نمیتوان هنوز Vac و Vdc پتانسیلهای بودن شده اندازهگیری ω سیگنال در را سطحی پتانسیل و الکتریکی مشارکت تنها )c( عبارت در ω2 سیگنال هرحال به نمود. جدا برای میتواند ω2 سیگنال بنابراین بردارد. در را الکتریکی ظرفیت مورد سطحی پتانسیل سهم نمودن جدا و ω سیگنال نرمالسازی نام سیگنالهای از هریک از میتوانند تصاویر گیرد. قرار استفاده تحلیل و تجزیه که داشت توجه باید ولی شوند ساخته شده برده ایجاد در استفاده مورد سیگنال مشارکت درک با باید تصویر هر ]2[. باشد همراه تصویر ]2[. XE سری از پیشرفته EFM شماتیک نمودار 10: شکل DC عبارت )a( جملههای به بهترتیب میتوانند عبارتها این انحراف سیگنال شوند. داده ارجاع 2ω عبارت )c( و ω عبارت )b( میتواند است سوزن نوک و نمونه بین نیروی معرف که تیرک کل AC و ω فرکانس با DC AC جداگانه بخشهای عبارتهای در انحراف سیگنال گیرد. قرار تحلیل و تجزیه مورد 2 فرکانسω با گیرد. قرار دسترس در نرمافزار طریق از میتواند تیرک DC به مربوط سیگنال از اعم تیرک انحراف سیگنال AC بخشهای سیگنال ارسال با میتوانند نیز 2 فرکانسω با سیگنال و ω فرکانس شود. خوانده قفلشونده تقویتکننده به EXT الکترواستاتیک نیروی میکروسکوپ وضعیت در که است پیشرفته EFM نوعی حالت این توپوگرافی تصویر تهیه برای آن در که میشود اجرا غیرتماسی ω نوسان فرکانس با سوزن نوک غیرتماسی حالت در AFM بایاس ولتاژ زمان همان در میکند. روبش را نمونه سطح سراسر سوزن به قفلشونده تقویتکننده طریق از ω فرکانس با AC کنترل یک تا شده اعمال نیز DC بایاس ولتاژ و میشود اعمال نیرویی که میشود سبب وضعیت این آید. بوجود الکترونیکی بایاس ولتاژ اعمال تحت که سوزنی نوک و شده باردار سطح بین تقویتکننده از استفاده با آید. بوجود است گرفته قرار AC سوزن نوک حرکت از آمده بهدست سیگنال خارجی قفلشونده فرکانس فرکانسω DC بخشهای به میتواند نیرو تحت سیگنال ω بخش گیرد. قرار تحلیل مورد و شده تجزیه 2ω شامل سیگنال 2ω بخش و سطحی بار مورد در اطالعاتی شامل سوزن نوک بین سطحی الکتریکی ظرفیت شیب درباره اطالعاتی

8 شماره 3 پاییز و نمونه )dc/dz( است. ω بهگونهای تنظیم میشود که بسیار بزرگتر از f باشد تا دو سیگنال با هم مخلوط نشوند ]2[. شکل 11: )a( تصویر توپوگرافی و )b( تصویر فاز EFM الیه نازک ext تهیه شده بهوسیله میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک PZT پیشرفته ]2[. شکل 12: مقایسه روش EFM قدیمی و پیشرفته ]2[. کاربردهای میکروسکوپی نیروی الکترواستاتیک میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک پیشرفته دارای کاربردهایی به شرح زیر است: تهیه تصویر از توزیع بار سطحی و پتانسیل تجزیه و تحلیل خرابی مدارهای الکترونیکی میکرویی اندازهگیری سختی مکانیکی چگالیسنجی بار برای نواحی فروالکتریک افت ولتاژ در مقاومتهای میکرویی تابع کار نیمههادیها ]2[. بهطور کلی از انواع مختلف این روش میکروسکوپی در موارد زیر میتوان استفاده نمود: تعیین ویژگیهای الکتریکی سطح تعیین ویژگیهای الکتریکی نانوبلورها )ذخیره بارالکتریکی و غیره( تشخیص نقصها در مدارهای مجتمع )سطح سیلیکونی( اندازهگیری توزیع مواد خاص روی سطوح کامپوزیتی. دانش آزمایشگاهی ایران فصلنامه تخصصی روش قدیمی EFM با روبش غیرضروری و ناکارآمد در دو مسیر اجرا میشود که یک عامل بازدارنده و محدودکننده در توان تفکیک فضایی برای تهیه نقشه پتانسیل سطحی محسوب میشود. از این رو EFM پیشرفته برای فراهم نمودن یک روبش تک مسیره کارآمد که بتواند توپوگرافی و پتانسیل سطح را با توان تفکیک فضایی بهصورت همزمان اندازهگیری کند طراحی شدهاست ]2[. میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک تماسی دینامیک )DC-EFM( حالتی از میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک پیشرفته است که در حالت تماسی اجرا میشود و از همان روش EFMر)Ext( استفاده میکند ولی این حالت در وضعیت غیرتماسی اجرا میشود. در شکل )13( تصویر توپوگرافی و بار سطحی کریستال منفرد TGS که به دو روش DC- EFM )باال( و EFM قدیمی )پایین( بهدست آمدهاند مقایسه شدهاند. تصویر توپوگرافی بهدست آمده به روش قدیمی EFM اثر جفتشدگی 15 قوي را نشان میدهد در حالی که در تصویر تهیه شده به روش DC-EFM جدایی کامل توپوگرافی مشاهده میشود. روش DC-EFM عالوه بر تصویربرداری EFM میتواند برای اندازهگیری سختی سطح نیز مورد استفاده قرار گیرد ]2[. شکل 13: )a( تصویر توپوگرافی و )b( تصویر بار سطحی کریستال منفرد TGS تهیه شده بهوسیله DC-EFM و )c( تصویر توپوگرافی و )d( تصویر بار سطحی تهیه شده بوسیله روش قدیمی.]2[EFM

9 تخصصی فصلنامه ایران آزمایشگاهی دانش 1392 پاییز شماره 3 ایجاد فروالکتریک. ترکیبات در رفتار تغییر دامنه )a( 14: شکل و V10 مثبت ولتاژ اعمال )b( بهوسیله TGS روی کوچک نواحی ]2[. V10 منفی ولتاژ اعمال )c( و TFT LED LCD مانند معدنی نیمههادیهای از بسیاری در مرحله نشاندهنده میانی الیه در بار انتقال خورشیدی سلولهای نحوه نمونه بهعنوان )15( شکل است. بار حاملهای انتقال فرایند نهایی ]3[. میدهد نشان را PPV/TiO2 مخلوطهای در بار مهاجرت و بار دوباره توزیع بررسی EFM کاربردهای از دیگر یکی انتقال که آنجایی از است. آلی/معدنی ترکیبات میانی الیه در 16 فرمی تراز میکند تعیین را دستگاه کلی عملکرد میانی الیه در بار جدایی یا بار بار دانسیته از مستقیمی نقشه تهیه برای EFM اندازهگیریهای از مورد ماده جا این در میشود. استفاده باال فضایی تفکیک توان با موضعی معدنی نیمههادیهای محبوبترین از یکی که است پنتاسن استفاده ]3[. است 1cm 2 V 1- S 1- برابر تقریبا بار تحرک دارای که است را Si/SiO2 روی پنتاسن ترکیب EFM تصاویر )17( شکل در تغییرات نیز )18( شکل در میدهد. نشان مختلف بایاس ولتاژهای در شدهاست. رسم بایاس ولتاژ برابر در قفلشونده تقویتکننده ولتاژ سیلسیوم دیاکسید از پنتاسن در سطحی پتانسیل میشود مشاهده فرمی تراز سطح بازآرایی خاطر به است ممکن که است مثبتتر باشد] 3 [. که نانوبلورها در الیهای میان بار انتقال پدیده نانوذرات ظهور با شد. مطرح دارند الکتریکی و نوری ابزارهای در گستردهای کاربرد پایه بر که دستگاههایی طراحی و درک در الیهای میان بار انتقال دقیق مدلسازی است. تعیینکننده بسیار میشوند ساخته نانوبلورها مطالعه مورد نیز EFM اندازهگیریهای نظری تحلیلهای و تجزیه و ]7[. گرفتهاند قرار 3[. و ]5 PPV/TiO2 مخلوط در بار مهاجرت 15: شکل 29 3[. و ]6 نانومتری 25 n( )نوع Si/SiO2 روی پنتاسن 16: شکل

10 نتیجهگیری 1392 پاییز شماره 3 ایران آزمایشگاهی دانش تخصصی فصلنامه Si/SiO2 روی پنتاسن جزیرههای EFM تصاویر 17: شکل مختلف بایاس ولتاژهای در نانومتری 25 0/4 V(f( 0/2 V(e( 0 )d( -0/5 V(c( -0/6 V(b( -0/8 V(a( 3[. و ]6 است نانومتر 800 تصاویر همه برای روبش اندازه جزیره موقعیت در انحراف d-17. شکل در شده داده نشان مقطع سطح در پنتاسن جزیره میان از الکتریکی نیروی نیمرخهای )a( 18: شکل ولتاژ اعمال طوالنی زمان مدت طول در الکتریکی نیروی شیب متوسط )b( است. روبش فرایند طول در روبشگر انحراف از ناشی پنتاسن 3[. و ]6 مختلف بایاس ولتاژهای در سیلیکون اکسید و پنتاسن روی این در یافتند. انتشار بود شده استفاده اندازهگیری اصلی روش عنوان به EFM روش از آنها در که ی سال 2000 از پالریزاسیون بررسی دیگر سوی از گرفت. قرار مدنظر جزئی کار تابع اندازهگیری فیزیکی پدیدههای بررسی برای مطالعات نمونههای گرفتند. قرار توجه مورد نیز الکترونیکی تجهیزات در سطحی پتانسیل توزیع نیز و زیرالیهها در شده جذب مولکولهای الکتریک/ دی مواد نیمهرسانا تجهیزات به تمییز نیمهرسانای سطوح مثل استاندارد نمونههای بر عالوه اندازهگیری مورد باال تفكيك توان با تصاویر تهیه چگونگی نیز تازگی به یافتند. گسترش آلی مولکولهای از الیههایی و نازک الیههای فروالکتریک به و شده اصالح کوتاهی زمان مدت در انتظار مورد فرآیندهای شدهاست. واقع توجه مورد بازدهی با گاز و مایع محیطهای در پیشرفت با گرفتند. قرار استفاده مورد جزئی پالریزاسیونهای و کوچک الکترونیکی تجهیزات تحلیل و تجزیه برای ابزاری عنوان الکترواستاتیکی نیروی تعیین حساسیت و شده امکانپذیر اتمی مقیاس در EFM اندازهگیریهای AFM غیرتماسی روش حتی نزدیک آینده در و بود مواد گستردهتر انواع و مختلف محیطی شرایط در آن کاربرد گسترش آن نتیجه که یافت افزایش دیگر از الکتریکی نیروی جداسازی نیازمند باالتر تفکیک توان به دستیابی برای گردید. ممکن نیز مایع محیطهای در اندازهگیری ایدهآل وضیعت میآید. بهدست مختلف ساختارهای از اتمی مقیاس در واضحی EFM تصاویر خالء در هماکنون است. نیروها رد را سهبعدی ساختار پروب نمونه ولتاژ روبش با نیرو گرادیان آن در که است نیرو سهبعدی طیفسنجی مطالعات این برای ]1[. مینماید محاسبه نقطه هر 30

11 1. Electrostatic Force Microscopy (EFM) 2. Contact Potential Difference (CPD) 3. Martin 4. Stern 5. Voltage probing 6. Lock-in amplifier 7. Lifted mode 8. Tapping mode 9. piezoactuator 10. feedback 11. Light-lever system 12. Contact mode 13. hard-sphere repulsion 14. Lock-in amplifier 15. coupling 16. Fermi level شماره 3 پاییز 1392 فصلنامه تخصصی دانش آزمایشگاهی ایران پی نوشت مراجع [1] M. Nakamura and H.Yamada, "Road map of Scanning probe microscopy", 2006, Springer. [2] "Park Systems, mode note". [3] Lecture 15: "Two special modes for AFM: Electrostatic Force Microscopy (EFM) and Magnetic Force Microscopy (MFM)". [4] [5] J. Liu, "Phys. Chem." C 2009, 113, [6] L. Chen, L. Brus, et al. J. "Phys. Chem". B 2005, 109, [7] O. Cherniavskaya, L. Brus, el al. J. "Phys. Chem." B 2004, 108, [8] Y. Hirata, F. Mizutani, H. Yokoyama, "Surf. Int. Anal." 27, 317 (1999). [9] G. E. Bridges et. al., J. Vac. Sci. "Technol." A 16, 830 (1998). [10] V. Wittpahl et. al., "Microelectron". Reliab. 39, 951 (1999). [11] S. Kitamura, K. Suzuki, M. Iwatsuki, "Appl. Surf. Sci." 140, 265 (1999). [12] N. Satoh et. al. "Appl. Surf. Sci." 188, 425 (2002). [13] T. Ohta, Y. Sugawara, S. Morita, Jap. J. "Appl. Phys." 35, L1222 (1996). [14] D. Gekhtman et. al., "Mater. React. Soc. Proc." 545, 345 (1999). [15] M. Nakamura et. al., "Synth. Metals" 137, 887 (2003). [16] M. Nakamura et. al., "Appl. Phys. Lett." 86, (2005). [17] M. Nakamura et. al., "Proceedings of International Symposium on Super Functionality Organic Devices. IPAP Conference Series" 6, 130 (2005). 31