SECM101: что такое постоянное расстояние (CD)-SECM?

Метод постоянного расстояния (CD-SECM): что, когда и как он используется в исследованиях электрохимии сканирующего зонда.

Что такое постоянное расстояние (CD)-SECM?

При проведении экспериментов сканирующей электрохимической микроскопии (SECM) существуют два варианта управления позицией зонда по оси z во время проведения измерений. В большинстве случаев эксперименты проводят в режиме постоянной высоты, при котором положение зонда на оси z сохраняется неизменным на протяжении всего времени замера. При передвижении зонда вдоль исследуемого образца неравномерность его топографии приводит к тому, что расстояние между ним и поверхностью изменяется. SECM позволяет зарегистрировать эти изменения в измеряемом сигнале. Этот процесс проиллюстрирован на рис. 1.

В режиме постоянного расстояния (CD-SECM) положение зонда на протяжении эксперимента все время изменяется таким образом, чтобы независимо от топографии исследуемой поверхности расстояние между зондом и образцом оставалось неизменным. В этом случае данные полученные прибором зависят только от электрохимической активности образца. Методика проиллюстрирована на рис. 2.

Важно учитывать, что термин CD-SECM применяется для обозначения целого семейства методик электрохимической сканирующей микроскопии, которые подразумевают отслеживание топографии изучаемой поверхности в ходе эксперимента. В том числе она включает СЭХМ усилия сдвига, с мягким щупом, а также СЭХМ прерывистого контакта (ic-SECM).

Рисунок 1: SECM постоянной высоты иллюстрирует изолирующий образец с различной топографией.

Рисунок 2: SECM с постоянным расстоянием иллюстрирует изолирующий образец с различной топографией.

 

Преимущества CD-SECM

Метод обладает множеством достоинств в сравнении с традиционной техникой выполнения замеров с постоянным расстоянием. В СЭХМ, особенно при использовании режима обратной связи полученный сигнал будет сильно зависеть от топографии. Это затрудняет интерпретацию данных, особенно если необходимо сравнить два образца с разной топографией, причем микрорельеф второго неизвестен.

Еще одна проблема традиционной методики заключается в возможности полного затухания сигнала в ситуациях, когда изменения топографии образца очень велики. Для исследования таких поверхностей единственным вариантом является использование технологии постоянного расстояния.

Семейство методов СЭХМ с постоянным расстоянием позволяет полностью исключить влияние топографии поверхности на получаемые от зонда данные, что заметно упрощает их интерпретацию. Многие (хоть и не все) разновидности этой технологии позволяют регистрировать и топографические данные. Это позволяет изучать корреляции между изменениями активности и «ландшафтом» исследуемого объекта, что позволяет выявлять и изучать такие феномены как краевые эффекты.

Поскольку в процессе выполнения эксперимента по технологии CD-SECM микрорельеф отслеживается, полностью отсутствует риск разрушения зонда от столкновения с объектом, в отличие от замеров по традиционной технологии с постоянной высотой. Поэтому измерения СЭХМ с постоянным расстоянием зачастую проводятся на гораздо меньших дистанциях между зондом и исследуемой поверхностью. В результате удается получить более сильный и контрастный сигнал, заметно повысить разрешающую способность.

 

Сфера использования CD-SECM?

Без возможности работы в режиме постоянного расстояния применение СЭХМ крайне ограниченно и возможно только для объектов с известной и относительно плоской топографией. Методика CD-SECM позволяет заметно расширить возможности исследователей, так как дает возможность изучать объекты с практически любой топографической структурой. В том числе образцы с выраженной кривизной или шероховатостью поверхности. Хотя для их изучения возможно использовать и традиционную методику, в полученных данных будет множество погрешностей, возникших из-за влияния рельефа на полученный сигнал.

Также СЭХМ с постоянным расстоянием полезен для изучения объектов большой площади, так как их поверхность сложно поддается выравниванию. При использовании метода постоянной высоты результатом станет карта с выраженной зависимостью мощности и качества сигнала от наклона и других особенностей рельефа. Применение методики постоянного расстояния обеспечивает стабильность силы и качества получаемого сигнала независимо от наклона поверхности или других особенностей топографии.

 

Прерывистый контакт (ic-SECM): пример технологии CD-SECM

Технология прерывистого контакта обеспечивает постоянство расстояния при выполнении СЭХМ в режимах постоянного и переменного тока. Поддержание расстояние обеспечивается за счет вибрации датчика по оси z. Зонд вибрирует перпендикулярно поверхности образца с известной частотой и амплитудой. Когда зонд входит в режим прерывистого контакта, амплитуда вибрации снижается в сравнении с амплитудой в свободном положении.

Так как система позволяет точно отслеживать амплитуду колебаний, это снижение можно использовать для точного картографирования. При смещении зонда в область подъема поверхности, амплитуда колебаний дополнительно сокращается, что позволяет автоматике отдалять датчик от объекта до достижения заданного показателя амплитуды. Если же расстояние между зондом и образцом увеличивается, амплитуда вибрации расширяется, что заставляет зонд смещаться к поверхности до достижения заданных показателей.

В результате метод дает возможность исключительно точно следовать за топографией объекта и замерять положение зонда. Итогом становится одновременное формирование карты активности и микрорельефа изучаемого объекта получаемые за один проход. Пример получаемых результатов ic-SECM продемонстрирован на рис. 3.

Рисунок 3: ic-ac-SECM использовали для измерения искусственной царапины на внутреннем покрытии банки из-под напитков в водопроводной воде. Использовали частоту переменного тока 100 кГц, смещение переменного тока 100 мВ и смещение постоянного тока 0 В относительно OCP. На карте слева показана топография образца, а на карте справа показана величина переменного тока.